Современная концепция гена сконцентрировала в себе результаты вековых исследований, которые позволили наполнить менделевский наследственный фактор конкретным материальным содержанием. Термин “ген” был предложен датским генетиком В. Иогансеном в 1909 г. Методами классической генетики, в первую очередь работами Т. Моргана и его школы, было установлено, что ген является дискретной единицей наследственности, которая передается от родителей к потомству. Эта единица была в значительной степени абстрактной, т.к. физическая природа гена была неизвестна, так же как и принцип его работы. Не вызывало сомнений, что гены связаны с хромосомами, но является ли ген участком хромосомы или он каким-то образом ассоциирован с ней, на этот вопрос не мог точно ответить даже Т. Морган — автор хромосомной теории наследственности. Однако это не помешало ему и его коллегам установить важнейшие закономерности наследования и сформулировать основные генетические теории.
Один из основных постулатов классической генетики — это неделимость гена, т.е. ген рассматривался как наименьшая структурная и функциональная частица наследственности. Он является единицей мутации, рекомбинации и функции. В этих положениях отражены основные критерии аллелизма, на основании которых мутации со сходным фенотипическим эффектом могут быть отнесены к одному гену. Это — функциональный и рекомбинационный критерии. Функциональный критерий основан на том, что при наличии в гомологичных хромосомах гибрида двух мутаций, полученных от разных родителей и затрагивающих один и тот же ген, не может проявиться признак дикого типа. Этим взаимодействие разных аллелей одного гена в гибридном генотипе отличается от взаимодействия неаллельных генов, контролирующих один и тот же признак. В последнем случае гены комплементарны и в гетерозиготном состоянии обеспечивают возврат к дикому типу (см. выше лекцию “Взаимодействие генов”). Рекомбинационный критерий гласит: если мутации не рекомбинируют (внутри гена нет кроссинговера), то они аллельны. В работах школы Моргана эти критерии, по сути дела, совпадали.
В конце 20-х — начале 30-х гг. учеными А.С. Серебровским и Н.П. Дубининым были выполнены исследования, которые привели к отказу от представления о неделимости гена. Ими была описана серия индуцированных мутаций гена scute (sc), нарушающих формирование щетинок у дрозофилы. С помощью генетического анализа было установлено, что за редукцию разных групп щетинок отвечают разные участки одного и того же гена. Если у родителей эти участки не совпадают, то у гибрида создается частичная гетерозиготность (т.е. гетерозиготность по внутригенным мутациям) и мутации не проявляются. В этом случае у гибридов представлены все группы щетинок.
Ген состоит из более мелких субъединиц, названных центрами, которые являются единицами мутации. Эти исследования были первым прорывом в область сложной структуры гена.
С 40-х гг. ХХ в., когда были установлены генетические функции ДНК, началось наполнение понятия “ген” конкретным содержанием. Однако впервые гипотеза о молекулярной природе генов и хромосом была высказана в 30-е гг. Н.К. Кольцовым и получила дальнейшее развитие в работах выдающихся ученых того времени: Н.В. Тимофеева-Ресовского, М. Дельбрюка, К. Циммера. Они разработали модель гена с позиций квантовой физики, рассматривая ген как макромолекулу с определенным чувствительным объемом, в которой при поглощении энергии происходят структурные перестройки. В результате перестроек образуются изомеры. Изомеры соответствуют аллельным генам, а переходы из одной изомерной формы в другую — мутациям. Эта модель не в полной мере выдержала проверку временем. Гены действительно оказались макромолекулами, но не белками, как предполагал Кольцов и авторы модели, а участками ДНК. Но главное значение этой модели в том, что она направила внимание ученых на раскрытие тайны строения гена, что вскоре дало положительный результат.
Большой вклад в понимание структуры и функции гена внесли Дж. Бидл и Э. Тейтум, которые впервые связали функцию гена с выработкой клеточных белков. В 1939 г. они исследовали биохимические мутанты плесневого грибка Neurospora crassa и показали, что ауксотрофные мутации (неспособность к синтезу определенных веществ) являются результатом нарушения какого-либо звена в цепи метаболизма, которое катализировалось специфическим ферментом. При этом аллельные мутации всегда затрагивали одно и то же звено. Авторы сформулировали принцип “один ген — один фермент”, согласно которому каждый ген контролирует синтез какого-либо фермента.
Позже появились работы с дрозофилой. В них доказывалась возможность рекомбинации мутаций, которые в соответствии с функциональным критерием должны были считаться аллельными (К. Оливер, М. Грин и К. Грин, Э. Льюис). Противоречие между двумя тестами породило термин “псевдоаллелизм“. Оно послужило причиной первого кризиса теории гена, выходу из которого во многом способствовала разработка нового теста на аллелизм.
Этот тест под названием цис-транс-теста был предложен Э. Льюисом. В его основу положено представление о том, что эффект от присутствия двух разных мутаций в гомологичных хромосомах гибрида зависит от их положения на хромосоме. В цис-положении мутации находятся в одной хромосоме, в транс-положении — в разных. И аллельные и неаллельные мутации в цис-положении не проявляются, т.к. они перекрываются неизмененными участками в другой гомологичной хромосоме, и поэтому гибрид несет признак дикого типа. В транс-положении, если мутации неаллельны, то они комплементируют, и гибрид также относится к дикому типу. Если же мутации аллельны, т.е. затрагивают один и тот же ген, то у гибрида при транс-положении мутаций будет мутантный фенотип. По появлению гибрида с мутантным фенотипом от скрещивания двух мутантных по одному и тому же признаку форм делают вывод о принадлежности этих мутаций к одному гену.
Окончательно убедили генетиков в сложной структуре гена результаты экспериментов С. Бензера, в которых он использовал цис-транс-тест при исследовании 2000 мутаций, затрагивающих область rII фага Т4. Мутации в этом локусе обусловливают неспособность этого фага к размножению в клетках штамма К E. coli, в геноме которых присутствует ДНК фага λ. На основе рекомбинационного критерия Бензер установил, что в состав локуса rII входит два гена — А и В, в пределах которых возникает большое количество спонтанных мутаций. Те из них, которые при объединении в одном геноме всегда комплементируют (т.е. восстанавливают способность фага к размножению), он относил к разным генам, а некомплементирующие, дающие мутантный фенотип (т.е. неспособный к размножению) — к одному. По наблюдавшейся в опыте крайне низкой частоте комплементации двух мутаций Бензер сделал вывод о возможности кроссинговера и, следовательно, рекомбинации мутаций внутри гена. Частоту рекомбинации между двумя мутациями при совместном заражении E. coli двумя мутантными штаммами Т4 Бензер использовал для картирования мутаций.
Участок хромосомы, в пределах которого обнаруживается цис-транс-эффект, Бензер предложил называть цистроном. Цистрон — это единица функции, а, следовательно, он аналогичен гену. Минимальная частота рекомбинации, полученная в опытах Бензера, равнялась 0,02%, что соответствовало расстоянию в две нуклеотидные пары. Эта единица рекомбинации была названа реконом. Единицу мутации Бензер назвал мутоном (его минимальный размер — 1 нуклеотид).
Результаты экспериментов С. Бензера показали относительность моргановских критериев аллелизма, в первую очередь рекомбинационного критерия. Исследования, проведенные на других объектах (вирусах, бактериях, грибах, водорослях, дрозофиле и высших растениях), выявили общую закономерность: в пределах одного гена может находиться множество мутаций, локализованных в разных местах гена, и внутри гена может происходить рекомбинация. Таким образом, современная концепция гена базируется на положении о сложном строении и делимости генов.
Большинство генов содержит информацию о первичной структуре специфических белков. Однако существуют гены, которые не имеют конечного белкового продукта. Они транскрибируются, но не транслируются. К ним относятся гены, кодирующие структуру двух форм РНК (рРНК и тРНК). Среди генов, кодирующих структуру белков, многие входят в систему регуляции, т.е. их белковые продукты регулируют функции других генов.
Структурная и функциональная организация генетических единиц в клетке получила название генома. У эукариот геном — это генный комплекс гаплоидного набора хромосом.