Точно так же близко расположены в Х-хромосоме гены гемофилии и дальтонизма. Если уж они есть, то наследуются вместе, а находящиеся в той же хромосоме гены альбинизма локализованы на значительном расстоянии от гена дальтонизма и могут дать с ним высокий процент перекреста.
Линейное расположение генов. Генетические карты. Существование кроссинговера позволило школе Моргана разработать в 1911-1914 гг. принцип построения генетических карт хромосом. В основу этого принципа положено представление о расположении генов по длине хромосомы в линейном порядке. За единицу расстояния между двумя генами условились принимать 1 % перекреста между ними. Эту величину называют морганидой. в честь генетика Т.Г. Моргана.
Допустим, что к одной группе сцепления относятся гены А и В. Между ними обнаружен перекрест в 10%. Следовательно, эти гены находятся на расстоянии 10 единиц (морганид). Допустим далее, что к этой же группе сцепления относится ген С. Чтобы узнать его место в хромосоме, необходимо выяснить, какой процент перекреста он дает с обоими из двух уже известных генов. Например, если с А он дает 3% перекреста, то можно предположить, что ген С находится либо между А и В, либо в противоположной стороне, т.е. А расположен между С и В.
В общей форме эту закономерность можно выразить следующей формулой: если гены А, В, С относятся к одной группе сцепления и расстояние между генами А и В равно k единицам, а расстояние между В и С равно l единицам, то расстояние между A и С может быть либо k+l, либо k–l.
Наиболее подробные карты хромосом составлены для дрозофилы, давно ставшей классическим генетическим объектом. Из растительных объектов сравнительно хорошо в этом отношении изучены кукуруза и томаты, из животных - куры и мыши. Начато составление карт хромосом человека. Уже известны 24 группы сцепления: 22 аутосомные и 2 сцепленные с полом в Х- и Y-хромосомах.
Генетические карты хромосом строятся на основе гибридологического анализа. Однако найден способ построения и цитологических карт хромосом для дрозофилы. Дело в том, что в клетках слюнных желез личинок мух обнаружены гигантские хромосомы, превышающие размеры хромосом из других клеток в 100-200 раз и содержащие в 1000 раз больше хромонем. Оказалось, что в тех случаях, когда гибридологическим методом обнаруживались какие-либо нарушения наследования, соответствующие им изменения имели место и в гигантских хромосомах. Так, в результате сопоставления генетических и цитологических данных стало возможным построить цитологические карты хромосом. Это открытие подтверждает правильность тех принципов, которые были положены в основу построения генетических карт хромосом.
Метод картирования хромосом человека. Установить группы сцепления, а тем более построить карты хромосом человека, пользуясь традиционными методами, принятыми для всех других эукариотов (растений и животных), практически невозможно. Тем не менее в построении карт хромосом человека достигнут значительный прогресс, благодаря использованию нового метода- гибридизации соматических клеток грызунов и человека в культуре ткани. Оказалось, что если в культуре смешать, клетки мыши и человека, то можно получить гибридные клетки, содержащие хромосомы одного и другого вида. В норме клетки мыши имеют 40 хромосом, человека, как известно,- 46 хромосом. В гибридных клетках следует ожидать суммарное число хромосом - 86, но обычно этого не бывает и чаще всего гибридные клетки содержат от 41 до 55 хромосом. При этом, как правило, в гибридных клетках хромосомы мыши сохраняются все, а утрачиваются какие-либо хромосомы человека; потеря тех или иных из хромосом случайна, поэтому гибридные клетки имеют разные наборы хромосом.
В гибридных клетках хромосомы как мыши, так и человека функционируют, синтезируя соответствующие белки. Морфологически каждую из хромосом мыши и человека можно отличить и установить, какие именно хромосомы человека присутствуют в данном конкретном наборе, и, следовательно, выяснить, синтез каких белков связан с генами данных хромосом. Гибридные клетки обычно теряют ту или иную хромосому человека целиком. Это дает возможность считать, что если какие-либо гены присутствуют или отсутствуют постоянно вместе, то они должны быть отнесены к одной группе сцепления. Этим методом удалось установить все возможные для человека группы сцепления. Далее, в ряде случаев, используя хромосомные аберргции (транслокации и нехватки), можно определить расположение генов в том или ином участке хромосом, выяснить последовательность их расположения, т. е. построить карты хромосом человека.
Наибольшее число генов удалось локализовать в Х-хромосоме, где их известно 95, в наиболее крупной из аутосом – первой - 24 гена. Ген, определяющий группы крови по системе АВ0, оказался в девятой хромосоме, определяющий группы крови по системе MN - во второй, а по группе крови системы резус-фактора (Rh) - а первой хромосоме. В этой же хромосоме локализован ген элиптоцитоза (El), доминантный аллель которого кодирует овальную форму эритроцитов. Расстояние между локусами Rh и El равно 3%. Локализация патологических генов во всех хромосомах человека имеет большое значение для медицинской генетики.
Карты хромосом прокариот. Прокариоты - гаплоидные организмы, поэтому метод построения карт хромосом, используемый для животных и растений, к ним не применим. Разработаны два способа составления карт хромосом прокариот. Они базируются на существовании конъюгации у бактерий.
Первый способ основан на том, что полного перехода хромосомы из бактерии-донора в бактерию-реципиент, занимающего около. 2 ч, обычно не происходит. Бактерии во время конъюгации соединены очень непрочно, и разрыв их чаще всего происходит до полного перехода хромосомы. Эта особенность использована для выяснения порядка расположения генов в хромосоме. Предполагается, что последовательиость генов и расстояние между ними пропорциональны времени, в течение которого совершалась конъюгация. Искусственно прерывая конъюгацию через определенные отрезки времени и выясняя, какие гены за это время перешли в реципиентную клетку, можно установить порядок их расположения.
Второй метод основан на том, что после конъюгации у бактерии-реципиента часть хромосомы оказывается диплоидной. В течение нескольких поколений бактерий этот участок остается диплоидным. Такие особи используются для выяснения того, какие из аллелей, генов являются доминантными, а какие рецессивными. Обычно после нескольких делений ряд генов, локализованных в участке хромосомы из донорской бактерии, путем кроссинговера включается в гомологичные локусы хромосомы бактерии-реципиента и заменяет аллельные гены, а остальные гены донора элиминируются. Образовавшуюся рекомбинированную хромосому можно использовать для локализации генов по принципу, разработанному для эукариот.
Основные положения хромосомной теории наследственности. Закономерности, открытые школой Моргана, а затем подтвержденные и углубленные на многочисленных объектах, известны под общим названием хромосомной теории наследственности. Основные положения ее следующие:
1. Гены находятся в хромосомах. Каждая хромосома представляет собой группу сцепления генов. Число групп сцепления у каждого вида равно гаплоидному числу хромосом.
2. Каждый ген в хромосоме занимает определенное место (локус). Гены в хромосомах расположены линейно.
3. Между гомологичными хромосомами может происходить обмен аллельными генами.
4. Расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту кроссинговера между ними.
Генетические явления на молекулярном уровне (основы молекулярной генетики). Обнаружение химической природы гена. Хромосомная теория наследственности закрепила за генами роль элементарных наследственных единиц, локализованных в хромосомах. Однако химическая природа гена долго еще оставалась неясной. В настоящее время известно, что носителем наследственной информации является ДНК.
Убедительные доказательства того, что именно с ДНК связана передача наследственной информации, получены при изучении вирусов. Проникая в клетку, они вводят в нее лишь нуклеиновую кислоту с очень небольшой примесью белка, а вся белковая оболочка остается вне зараженной клетки. Следовательно, введенная в клетку ДНК передает генетическую информацию, необходимую для образования нового поколения вируса такого же вида.
Далее было обнаружено, что чистая нуклеиновая кислота вируса табачной мозаики может заразить растения, вызывая типичную картину заболевания. Более того, удалось искусственно создать вегетативные «гибриды» из вирусов, в которых белковый футляр принадлежал одному виду, а нуклеиновая кислота - другому. В таких случаях генетическая информация «гибридов» всегда в точности соответствовала тому вирусу, чья нуклеиновая кислота входила в состав «гибрида».
Доказательства генетической роли ДНК были получены и в ряде опытов по заражению бактериальных клеток вирусами. Вирусы, поражающие бактерии, называют бактериофагами (или просто фагами). Они состоят из белковой капсулы правильной геометрической формы и молекулы нуклеиновой кислоты, свернутой в виде спирали. Хорошо изучен жизненный цикл у фага Т2 (ДНК-содержащий вирус), размножающегося внутри бактерии кишечной палочки. Фаг прикрепляется своим отростком к клеточной оболочке, с помощью ферментов разрушает участок клеточной мембраны и через образовавшееся отверстие вводит свою ДНК в клетку. Попав внутрь клетки, нуклеиновая кислота вируса приводит к извращению нормальной работы клетки, прекращается синтез собственных бактериальных белков, и весь контроль над биохимическим аппаратом клетки переходит к вирусной ДНК.
Из имеющихся в клетке аминокислот и нуклеотидов синтезируются белковые капсулы, идет репродукция ДНК, т. е. образуются новые зрелые фаговые частицы, их количество быстро увеличивается. Жизненный цикл фага заканчивается выходом фаговых частиц в окружающую среду и распадом клетки. Такие фаги называются вирулентными.
Когда белок фага был помечен радиоактивной серой (35S), а ДНК - радиоактивным фосфором (32Р), оказалось, что вновь образованные фаги содержали только радиоактивный фосфор, которым была помечена ДНК, а частиц 35S не было обнаружено ни у одной фаговой частицы. Эти опыты наглядно показали, что генетическая информация от внедрившегося фага его потомкам передается только проникающей в клетку нуклеиновой кислотой, а не белком, содержащимся в капсуле вируса.
Важные доказательства роли ДНК в передаче наследственной информации были получены на микроорганизмах в явлениях трансформации и трансдукции.
Трансформация - включение чужеродной ДНК в бактериальную клетку. Это перенос наследственной информации от одной клетки прокариотов к другой посредством ДНК бактерии-донора или клетки-донора. Явление трансформации было обнаружено в опытах английского микробиолога Гриффитса (1928), работавшего с двумя штаммами пневмококка. Они отличаются по внешнему виду и болезнетворным свойствам. Штамм S имеет капсульную оболочку и отличается высокой вирулентностью. При введении этих бактерий подопытным мышам последние заболевали инфекционной пневмонией и погибали. Клетки штамма R отличаются отсутствием капсульных оболочек, при введении их животным гибели не наступало.
Если клетки вирулентного штамма подвергали действию высокой температуры, то они становились безвредными и также не вызывали заболевания. Но совершенно неожиданный результат получил Гриффитс, когда ввел мышам смесь из невирулентного и убитого нагреванием вирулентного штаммов. Подопытные животные заболели пневмонией и погибли, как и мыши, получившие инъекцию живых 5-бактерив. Из крови тех я других мышеи были выделены живые S-пневмококки.
Таким образом, оказалось, что свойства убитых бактерий - наличие капсулы и способность вызывать острое заболевание (вирулентность) передались от убитых к живым бактериям, произошла трансформация штамма R в штамм S.
Поскольку клетки S были убиты нагреванием, то, следовательно, фактором, вызывающим трансформацию, было вещество небелковой природы. Удалось получить трансформацию бактерий и в условиях in vitro, вне организма. Однако, что представляет собой трансформирующий фактор, в то время осталось невыясненным. Только в 1944 г. группа американских генетиков под руководством О. Эвери с помощью биохимического анализа показали, что этим фактором является ДНК. Если ДНК бактерий-доноров разрушалась ферментом дезоксирибонуклеазой, то трансформация не происходила. Эти опыты были подтверждены в отношении многих наследственных признаков у бактерий, в частности, именно этот процесс лежит в основе превращения не устойчивых к стрептомицину клеток пневмококков в стрептомициноустойчивые. Механизм трансформации заключается в рекомбинации между молекулами ДНК клеток двух штаммов.
Опыты по бактериальной трансформации и расшифровке природы трансформирующего фактора имели выдающееся значение для развития молекулярной генетики, поскольку был сделан вывод, что в явлениях наследственности ведущая роль принадлежит ДНК. Расшифровка процесса бактериальной трансформации имеет и непосредственное практическое значение для медицинской микробиологии.
Трансдукция (лат. transductio - перемещение) заключается в том, что вирусы, покидая бактериальные клетки, в которых они паразитировали, могут захватывать с собой часть их ДНК и, перемещаясь в новые клетки, передавать новым хозяевам свойства прежних. Это явление впервые было получено в опытах по заражению бактерий вирусами.
Долгое время считали, что взаимоотношения вируса и бактериальной клетки могут быть только приводящими бактерию к гибели. Однако впоследствии было обнаружено, что, поражая бактерию, не все фаги приводят ее к активному разрушению. Это так называемые умеренные фаги. Они могут вести себя в клетке и как вирулентные, но могут объединяться с бактериальным геномом, встраивая свою ДНК в хромосом) клетки-реципиента. В таком состоянии размножения фага не происходит, он становится профагом и реплицируется (воспроизводится) вместе с хромосомой бактерии. Бактерия остается неповрежденной, не лизируется. Такие штаммы бактерии называются лизогенными (гр. lisis - растворение), так как они несут в себе фактор, угрожающий целостности бактериальных клеток, вызывающий их разрушение, растворение.
Профаг можeт воспроизводиться вместе с бактериальной хромосомой при соблюдении постоянных внешних условий в течение многих клеточных поколений. Однако в какой-то момент профаг освобождается из хромосомы бактерии и начинает автономно реплицироваться с образованием новых фаговых частиц, т. е. профаг перешел в вирулентное состояние. При этом, освобождаясь от связи с ДНК клетки-реципиента, фаговые частицы могут случайно захватить небольшие близлежащие участки бактериальной хромосомы с находящимися в них генами. Попадая в клетки другого штамма бактерий, вирусы вносят в их геном «чужие» бактериальные гены и передают новым клеткам-хозяевам свойства тех, в которых они ранее паразитировали.
Встраивание профага происходит путем кроссинговера между фаговой и бактериальной хромосомами. Таким образом, генотип клеток-реципиентов может измениться, они приобретут какие-то свойства клеток первого штамма.
Явление трансдукции было обнаружена в опытах с бактериями из различных штаммов. V-образная трубка в нижней части была разделена бактериальным фильтром. В одной половине ее находились бактерии кишечной палочки, имеющие фермент, расщепляющий лактозу и содержащие пгофаг (ген lac+), а в другой половине - штамм, не обладающий этим ферментом (ген lac-). Бактериальные клетки не могли проникать через перегородку. Через некоторое время при анализе клеток второго штамма оказалось, что среди них появились формы lac+. Перенос гена мог произойти только с помощью вируса, находившегося в лизогенном штамме и приступившего к размножению. Этот вирус, проникнув через бактериальный фильтр, внес ген lac+ в бактериальные клетки, т. е. произошла трансдукция.
Процесс трансдукции является не только подтверждением генетической роли ДНК, он используется для изучения структуры хромосом, тонкого строения гена и, как будет показано ниже, является одним из важнейших методов, применяемых в генной инженерии. Итак, изучение химической структуры ДНК и ее генетических функций позволяет ныне рассматривать гены как участки нуклеиновой кислоты, характеризующиеся определенной специфической последовательностью нуклеотидов. Расшифровка материальной сущности гена - одно из важных достижений современной биологической науки.
Строение гена. Ген - информационная структура, состоящая из ДНК, реже РНК, и определяющая синтез молекул РНК одного из типов: иРНК или рРНК, посредством которых осуществляется метаболизм, приводящий в конечном итоге к развитию признака. Минимальные по размеру гены состоят из нескольких десятков нуклеотидов. Гены синтеза больших макромолекул включают несколько сот и даже тысяч нуклеотидов. Несмотря на большие их размеры, они остаются невидимыми так же, как и элементарные частицы. Наличие генов обнаруживается по наличию признаков организмов; по их проявлению. Общую схему строения генетического, аппарата прокариот предложили французские генетики Ф. Жакоб и Ж. Моно (1961г.).
В микробиологии долгое время не имел объяснения следующий факт: бактерии начинают синтезировать определенный фермент тогда, когда в среде имеется вещество, расщепляемое данным ферментом (субстрат реакции), Например, если в среде одновременно присутствуют глюкоза и лактоза, то размножение бактерий начинается сразу же, так как ферменты для расщепления глюкозы имеются постоянно. После истощения в среде запасов глюкозы на некоторое время размножение прекращается, а затем начинается синтез ферментов, необходимых для разложения лактозы, и количество клеток вновь возрастает. Интересно, что клетка начинает продуцировать какой-либо фермент только тогда, когда в этом возникает необходимость.
Схема генетического контроля белкового синтеза получила название гипотезы оперона. По этой схеме гены функционально неодинаковы: одни из них (так называемые структурные гены) содержат информацию о расположении аминокислот в молекуле, белка-фермента, другие выполняют регуляторные функции, оказывающие влияние на активность структурных, генов (гены-регуляторы). Структурные гены обычно расположены рядом, образуя один блок - оперон, Они программируют синтез ферментов, участвующих в последовательна идущих ферментативных реакциях, в одном метаболическом цикле. Кроме того, в оперой входят участки, относящиеся к процессу, включения транскрипции: промотор - место первичного прикрепления РНК-полимеразы, с которого начинается процесс транскрипции, и регуляторный участок – ген-оператор. В зависимости от его состояния структурные гены могут быть активны или выключены из процесса транскрипции. Вся группа генов одного оперона функционирует одновременно, поэтому ферменты одной цепи реакции либо синтезируются все, либо не синтезируется ни один из них.
Включение и выключение структурных генов осуществляется особым участком молекулы ДНК, расположенным в самом начале оперона - геном-оператором; это функциональный ген. Оператор, в свою очередь, контролируется геном-регулятором, расположенным на каком-то расстоянии от оперона. Ген-регулятор кодирует синтез особого белка-репрессора. Репрессор может быть в двух формах: активной и неактивной. Находясь в активной форме, он присоединяется к оператору, блокирует транскрипцию, считывание генетической информации прекращается и весь оперой выключается. До тех пор, пока репрессор связан с геном-оператором, оперой находится в выключенном состоянии. При переходе белка-репрессора в неактивную форму ген-оператор освобождается, происходит включение оперона и начинается синтез соответствующей РНК с последующим процессом синтеза ферментов.
Сам белок-репрессор не является необходимым для функционирования оперона, но он необходим для регуляции выключения его действия. Получены штаммы Е. coli с мутацией в области гена-регулятора, вследствие чего у них не происходит синтез белка-репрессора. У этих бактерий фермент, расщепляющий лактозу, продуцируется непрерывно, независимо от наличия лактозы в среде, т.е. регуляторный механизм снят. Таким образом, значение гена-регулятора состоит в том, чтобы посредством белка-репрессора и гена-регулятора управлять функционированием структурных генов. Эта схема позволяет объяснить механизмы регуляции синтеза белков у прокариот. Синтез ряда ферментов зависит от среды, в которой находится клетка (такие ферменты называются индуцибельными). Оказалось, что само вещество, поступающее в клетку из окружающей среды, служит индуктором (в вышеприведенном примере - лактоза). Оно соединяется с белком-репрессором лактозного оперона, переводит его в неактивную форму, отсоединяет от гена-оператора и, таким образом, оперой включается, начинается транскрипция со всех структурных генов, синтезируются необходимые ферменты, в данном случае, расщепляющие лактозу.
Хотя ген-регулятор продолжает синтез новых молекул белка-репрессора, они связываются с лактозой, ген-оператор остается свободным и оперой включен. Пока в среде имеется лактоза, все время образуется и расщепляющий ее фермент, если же лактоза в среде будет израсходована, то репрессор освобождается, переходит в активную форму, блокирует оператор и работа структурных генов прекращается.
Синтез ферментов может не только приспособительно индуцироваться, но и подавляться, репрессироваться. Например, в результате какой-то цепи реакций в клетке образуется конечный продукт Д в количестве большем, чем это необходимо клетке, происходит его накопление. Это может нарушить нормальный ход реакций обмена в клетке, возникает необходимость остановить данный процесс. Вещество Двступает в реакцию с белком-репрессором, переводит его в активное состояние, происходит присоединение репрессора к гену-оператору, тем самым выключается вся система, и синтез ферментов прекращается. Таким образом, исходное вещество (поступившее в клетку, т.е. субстрат реакции) является индуктором, запускающим работу оперона; торможение синтеза производится конечным продуктом, образующимся в результате реакции. С помощью такого механизма, и действует принцип обратной связи, он состоит в том, чтобы синтезировать те ферменты, которые требуются в данных обстоятельствах.
Согласно имеющейся генетической программе кишечная палочка может синтезировать несколько десятков ферментов, расщепляющих различные вещества. Состав среды, окружающей бактерии, очень изменчив. В этих условиях продукция Всего набора ферментов была бы неэкономичным для клетки процессом, нецелесообразно продуцировать одновременно 60 - 80 ферментов, из которых в данных условиях среды могут понадобиться 6-8. В природе отбор идет по принципу наибольшей экономии, это и привело к возникновению и совершенствованию системы регуляции, так как клетки, функционирующие более экономично, получают селективные преимущества, быстрее размножаются.
Результаты опытов Жакоба и Моно были подтверждены и дополнены во многих лабораториях, построена теория генетической регуляции белкового синтеза. Все же, по-видимому, оперонная система представляет собой один из механизмов регуляции синтеза белка. Это саморегулирующаяся система, основанная на принципе обратной связи. Предполагают, что у высших организмов имеются принципиально такие же регуляторные генетические системы, что у вирусов и бактерий. Однако, в этом случае регуляторные механизмы имеют более сложный характер. По схеме Г. П. Георгнева (1972), каждый оперон состоит из проксимальной акцепторной зоны, включающей в себя ряд последовательно расположенных генов (операторов и промоторов) и дистальной (регуляторной) зоны. Акцепторная зона управляет через посредство белков-репрессоров действием структурных генов. Один структурный ген может многократно повторяться, образуя целую серию одинаковых последовательностей. Предполагают, что у животных и человека каждый оперон содержит несколько или много регуляторных генов. Структурные гены, ответственные за разные звенья одной цепи биохимических реакций, могут быть сосредоточены не в одном опероне, а рассеяны по геному.
У эукариот существует путь регуляции генной активности, отсутствующий у более простых форм - одновременное групповое подавление активности генов в целой хромосоме или ее большем участке. Это осуществляется белками-гистонами, входящими в состав хромосом. В целом регуляция генной активности у высших организмов менее изучена; взаимоотношения регуляторных и структурных генов осложняются в силу ряда причин: наличие обособленного от цитоплазмы ядра, сложное строение хромосомы, дифференцировка клеток, влияние общих систем регуляции организма, в частности гормонов, оказывающих сильное трансформирующее действие на проявление генной активности.
В общем виде генетический аппарат эукариот представляется следующим: акцепторная (регуляторная) зона-экзон-интрон-экзон.
Такая структурно-функциональная организация обусловливает особенности трансляции. На структурных генах синтезируются молекулы РНК-предшественницы (про-мРНК), комплементарно транскрибирующие экзонные и интронные части генов. В последующем, с помощью ферментов-рестриктаэ вырезаются интронные участки, а остающиеся экзонные участки сшиваются с помощью ферментов лигаз. В итоге получающиеся окончательные молекулы иРНК или тРНК оказываются меньших размеров, чем их структурные гены. Наличие интронов в генах эукариот является универсальным явлением. В больших генах интронов больше. Число интронов в генах от 1 до 50. Можно считать, что интроны являются запасом информации, обусловливающем изменчивость.
Некоторые гены эукариот многократно повторены, определенные же участки ДНК вообще не играют генетической роли, как сателитная ДНК. Значит, геном эукариот «избыточен». У них функционирует от 104 до 2 х 105 генов из 106 всех генов. Уникальные последовательности генома эукариот у разных видов составляют 15-98 %. У человека уникальные последовательности нуклеотидов составляют 56%. Кроме этого, в геномах эукариот содержатся последовательности, повторяющиеся несколько десятков, сотен и даже миллионов раз. Они рассредоточены среди уникальной ДНК. К повторяющимся последовательностям относятся и элементы с непостоянной локализацией. Их называют транспозономи, или мобильными элементами (генами). Повторяющиеся гены выполняют разнообразную биологическую роль: регуляция воспроизведения ДНК, участие в кроссинговере, обозначение границы между экзонами и интронами и др.
Уникальная ДНК входит в состав большинства структурных генов, причем более половины ее не бывает активной. Вся жизнедеятельность организмов обусловлена функциональной активностью уникальных генов; их появление у организмов, имеющих нервную систему, оказывает влияние на ее состояние и деятельность желез внутренней секреции. Но гены, определяющие функции нервной и эндокринной систем, в свою очередь, зависят от состояния внутренней среды организма и от среды обитания.
Коллинеарность - свойство, обусловливающее соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислот полипептидных цепей. Иными словами, это - свойство, обеспечивающее туже последовательность аминокислот в белке, в какой соответствующие кодоны располагаются в гене. Это означает, что положение каждой аминокислоты в полипептидной цепи зависит от особого участка гена. Генетический код считается коллинеарным, если кодоны нуклеиновых кислот и соответствующие им аминокислоты в белке расположены в одинаковом линейном порядке.
Явление коллинеарности доказано экспериментально. Так, установлено, что серповидноклеточная анемия, при которой нарушено строение молекулы гемоглобина, обусловлена изменением расположения нуклеотидов в гене, ответственном за синтез гемоглобина. Существует соответствие аминокислот фермента триптофансинтетазы с порядком расположения кодонов в соответствующем гене. Было установлено, что расстояния между отдельными мутациями внутри гена соответствуют расстояниям между аминокислотами, зависимыми от этих мутаций, а расположение мутаций на генетической карте гена триптофансинтетазы совпадает с расположением аминокислот в этом ферменте. Таким образом, аминокислоты заменялись в соответствии с изменением нуклеотидного состава соответствующих триплетов. Гипотеза о том, что последовательность нуклеотидов в гене определяет последовательность аминокислот в белке, была высказана Г.А. Гамовым (1954). Данные о коллинеарности генов и полипептидов подтвердили ее. Благодаря концепции коллинеарности можно определить примерный порядок нуклеотидов внутри гена и в информационной РНК, если известен состав полипептидов. Наоборот, определив состав нуклеотидов ДНК, можно предсказать аминокислотный состав белка. Из этой концепции также следует, что изменение порядка нуклеотидов внутри гена (его мутация) приводит к изменению аминокислотного состава белков.
Репарация. Под действием различных физических и химических агентов, а также при нормальном биосинтезе ДНК в клетке могут возникнуть повреждения. Оказалось, что клетки обладают механизмами исправления повреждений в нитях ДНК. Способность клеток к исправлению повреждений в молекулах ДНК получила название репарации (лат. reparatio - восстановление).
Первоначально способность к репарации была обнаружена у бактерий, подвергшихся воздействию ультрафиолетовых лучей. В результате облучения целостность молекул ДНК нарушается, так как в ней возникают димеры, т.е. сцепленные между собой соседние пиримидиновые основания. Димеры образуются между двумя тиминами, тимином и цитозином, двумя цитозинами, тимином и урацилом, цитозином и урацилом, двумя урацилами. Однако облученные клетки на свету выживают гораздо лучше, чем в темноте. После тщательного анализа причин этого установлено, что в облученных клетках на свету происходит репарация (явление световой репарации). Она осуществляется специальным ферментом, активирующимся квантами видимого света. Фермент соединяется с поврежденной ДНК, разъединяет возникшие в димерах связи и восстанавливает целостность нити ДНК.