Введение

В концепции гена сфокусированы результаты примерно ста лет работы, потребовавшейся для того, чтобы разгадать основу наследственности. Проведенные исследования были столь многоплановы, что нельзя однозначно и удовлетворительно ответить на вопрос: что такое ген?

Ген - это последовательность ДНК, несущая информацию об определенном белке. Еще совсем недавно это казалось вполне достаточным (если не полным) биохимическим определением. Последовательность ДНК можно было бы определить как непрерывную линейную последовательность нуклеотидов, колинеарную аминокислотной последовательности соответствующих белков. Однако, как теперь уже установлено, последовательность, в которой закодирован белок, не всегда непрерывна. Она может прерываться вкрапленными в нее некодирующими участками. Таким образом, гены могут состоять из отдельных кусков, соединяющихся воедино в процессе генной экспрессии.

Ген можно идентифицировать по кластеру (группе) мутаций, каждая из которых предотвращает образование соответствующего белка. Хотя данное положение остается справедливым и в отношении прерывистых генов, свойства их кластеров в этом случае оказываются значительно сложнее. Такое утверждение достаточно спорно, поскольку большинство прерывистых генов обнаружено в таких ситуациях, в которых детальный генетический анализ невозможен. Однако очевидно, что генетический взгляд на ген необходимо пересмотреть.

У всех видов большое число генов, составляющих геном, организовано в сравнительно небольшое число хромосом. Генетический материал каждой хромосомы представляет собой чрезвычайно длинную последовательность ДНК, содержащую множество линейно расположенных генов. Довольно долго оставалось загадкой, сколько всего генов существует в геноме. Представление о том, что каждый ген может существовать сам по себе, как уникальное целое, пришлось пересмотреть, когда было обнаружено, что во многих случаях кластеры родственных генов организованы в небольшие семейства.

Обычно считалось, что геном довольно стабилен и изменения в его общей структуре и организации происходят крайне редко - лишь в растянутой эволюционно-временной шкале. Однако это противоречит недавно полученным данным о том, что в некоторых случаях в ДНК периодически происходят перестройки и что существуют относительно мобильные компоненты генома.

Сама концепция гена, таким образом, подверглась эволюции. И хотя многие из традиционных положений данной концепции остались без изменений, были обнаружены исключения, свидетельствующие о том, что ни одно из положений нельзя считать абсолютным. Со времени открытия гена как неизменной единицы наследственности его свойства описывали, исходя из того, что положение гена в хромосоме фиксировано. Из этого в свою очередь было развито представление о том, что генетический материал хромосомы представлен непрерывной нитью ДНК, соответствующей множеству генов. Следуя за развитием этих идей, мы сможем дать операциональное описание гена, но это вряд ли поможет нам сформулировать краткое определение.

Элементарный фактор наследственности

"Постоянные признаки, появляющиеся в данной группе растений, могут быть получены во всех комбинациях в соответствии с математическими законами сочетаний. Те признаки, которые при передаче потомству проявляются и, следовательно, обнаруживаются у гибридов, называют доминантными, а те, которые оказываются в скрытом состоянии, называют рецессивными. Выражение "рецессивный" было выбрано потому, что такие признаки как бы отступают или полностью исчезают у гибридов, но вновь появляются в их потомстве без каких-либо существенных изменений и в предсказуемом соотношении. Промежуточные формы ни в одном из экспериментов обнаружены не были."

Эта (сокращенная) цитата из замечательной статьи Менделя, опубликованной в 1865 г., вводит основную концепцию генетики: существует единица наследственности в виде некоторого фактора, который передается от родителей потомству. Этот дискретный фактор не что иное, как хорошо нам теперь известный ген. Работа Менделя пролила свет на общее поведение гена при наследовании в ряду поколений. Из этой работы следовало, что отдельный живой организм-это способ, которым ген экспрессируется и увековечивает себя. Суть этого представления изображена на рис.1 в виде чередования поколений.

В отличие от запутанных ранее представлений о наследственности работа Менделя утвердила генетику как экспериментальную науку, введя в нее несколько новых подходов. Во-первых, исходный набор растений был "чистым по признаку": каждое растение давало в потомстве только растения с данным признаком и никогда-с противоположным. Сначала было изучено наследование только одного признака. После этого можно было одновременно исследовать наследование двух признаков или более. Свои эксперименты Мендель поставил на количественную основу, проводя учет потомков каждого типа в каждом скрещивании.

Свойства генов, выявленные в работе Менделя, сформулированы в его первом и втором законах. Первый закон рассматривает особенности индивидуального гена. Организм имеет две копии каждого гена, т.е., выражаясь современным языком, он диплоиден. Только одна из двух копий гена попадает от родителя к потомку через гаметы (половые клетки). Гаметы, сливаясь, образуют зиготу (оплодотворенное яйцо), несущую по одной копии от каждого родителя. В результате каждый организм получит одну отцовскую копию гена и одну материнскую.

Ген может существовать в альтернативных формах, что проявляется в различии признаков - например, красная окраска цветка в противовес белой.

Рис. 1. Когда эукариоты "увековечивают" свои гены путем чередования диплоидного и гаплоидного состояний, одно из состояний преобладает у "взрослого" организма, тогда как другое связано с образованием гамет или зигот. Млекопитающие и мхи - это крайние примеры. У первых взрослое поколение диплоидно, у вторых - гаплоидно.

Красным цветом указаны диплоидные (2и) ткани, серым - гаплоидные (и) называют аллелями. Закон независимого расщепления утверждает, что присутствуя одновременно в одном растении, эти аллели не изменяют друг друга, но расщепляются, переходя в различные гаметы, при формировании следующей генерации.

У организма, чистого по признаку, т.е. у гомозиготы оба аллеля одинаковы. Но скрещивание двух родителей, каждый из которых гомозиготен по разным аллелям, приведет к образованию гибрида, или гетерозиготы. Если один аллель доминантен, а другой рецессивен, то организм по своему внешнему виду, или фенотипу, будет только доминантного типа (так что гетерозиготы не отличаются от чистого по признаку доминантного родителя).

Но, согласно первому закону Менделя, генетическая конституция, или генотип, гибрида включает в себя оба аллеля. Как показано на рис.2, это можно установить, если скрестить между собой два гибрида и получить второе поколение. Критическое значение при этом имеет тот факт, что аллели не смешиваются друг с другом ("промежуточных форм не обнаружено"), а сохраняют свою физическую целостность, взаимодействуя только на уровне экспрессии.