Что такое ген? Генетическая точка зрения

Строение индивидуального локуса было исследовано в серии опытов с генами rll фага Т4, участвующими в лизисе бактериальной клетки. Мутации в этих генах вызывают быстрый лизис. Были подобраны такие условия опыта, когда при совместном инфицировании бактерий двумя гП-мутантами фага потомство образуется лишь при условии, что в результате рекомбинации мутантных фагов появится фаг дикого типа. Частота рекомбинации при этом также зависела от расстояния между мутациями, как и в случае эукариотической хромосомы.

Высокая разрешающая способность этого подхода, благодаря селективной методике, позволяет количественно оценить даже самые редкие рекомбинационные события, а это дает возможность измерять расстояние по карте для любой пары мутаций. (Единственным ограничением этого метода является частота обратных мутаций, или "реверсий", к дикому типу. Эта частота составляет примерно 0,0001%. Таким образом, чтобы достичь минимального уровня измерений, превышающего в 10 раз фон спонтанных мутаций, можно измерять только рекомбинационные частоты выше 0,001%)

Было проанализировано примерно 2400 мутаций, что дало возможность идентифицировать 304 различных мутантных сайта. (Если две мутации не рекомбинировали между собой, их принимали за две спонтанные мутации одного и того же генетического сайта) Исследованные мутации можно было расположить в линейном порядке. Из этого следовало, что сам ген имеет тот же линейный принцип устройства, что и гены в хромосоме. Из этих данных вытекает, что генетическая карта линейна как внутри генов, так и между ними, т.е. она представляет собой непрерывную последовательность, включающую в себя все гены.

Один ген - один белок

До 1945 г. было лишь известно, что гены - это основные единицы наследственности. Но каким путем они выполняют свою функцию, оставалось неясным. Гены можно было идентифицировать, только исходя из мутаций, вызывающих некоторые отклонения от нормы в фенотипе, причем степень отклонения варьировала от изменения одного признака (такого, как цвет глаз) до крайне резких морфологических перестроек, затрагивающих ряд тканей организма. Почти во всех случаях эффект мутации анализировали только на описательном уровне. Однако предполагали, что существует некоторая общая основа мутационных воздействий.

Идея о том, что действие мутационных факторов опосредовано ферментами, возникла почти одновременно с возрождением генетики. В работах, проведенных с 1902 по 1908 г., Геррод (Garrod) высказал мнение, что болезнь человека – алкаптонурия - обусловлена нарушением какой-то метаболической реакции, катализируемой ферментом. Его фраза - "врожденные ошибки метаболизма" - заключает в себе концепцию, согласно которой генетический дефект может привести к нарушению определенного метаболического процесса, обусловливая тем самым наблюдаемый фенотип. В последующие три десятилетия накопились примеры влияния специфических мутаций на определенные биохимические реакции. Основная трудность исследований этого периода состояла в том, что приходилось довольствоваться случайно отобранными мутациями, не всегда пригодными для биохимического изучения.

С помощью рентгеновского облучения были индуцированы мутанты Neurospora, не способные расти на минимальной среде. Биохимическую природу дефекта можно было установить. Для этого было достаточно определить, добавление какого именно вещества в среду позволяет расти мутантному штамму. У каждого мутанта блокирована определенная метаболическая стадия и каждой такой стадии у штамма дикого типа соответствовал один определенный фермент. Если какой-то субстрат утилизируется в результате целой серии метаболических реакций, мутация, нарушающая любую из этих реакций, может блокировать всю серию реакций. Об этом свидетельствует накопление метаболического предшественника того соединения, которое образуется на блокированной ступени синтеза. На рис.12 изображен пример пути биосинтеза глазного пигмента дрозофилы, последовательные этапы которого хорошо согласуются с рассмотренной выше схемой.

К 1945 г. результаты этого анализа легли в основу гипотезы: "Один генодин фермент". Согласно этой гипотезе, каждую метаболическую ступень катализирует отдельный фермент, за образование которого отвечает один ген. Мутация в гене может привести к потере активности соответствующего белка. Поскольку мутация - событие случайное и, следовательно, может повредить любой участок гена, то наиболее вероятно, что она нарушит функцию гена. Поэтому в результате большинства мутаций образуются нефункциональные гены. Однако это отнюдь не единственное последствие мутации: в результате мутации иногда происходит не потеря функции, а ее изменение.

С этих позиций легко объяснить природу рецессивных мутаций: у них нарушена функция гена, потому что мутация препятствует образованию нужного фермента. Однако, как показано на рис.13, в гетерозиготе, содержащей один ген дикого типа и один мутантный ген, ген дикого типа может обеспечить необходимую функцию. Поэтому ген дикого типа доминантен. (Иными словами, для образования необходимого количества белка достаточно наличия одного аллеля дикого типа. Если же это не так, т.е. когда один аллель обеспечивает меньшее количество белка, чем то, которое имеет место при наличии двух аллелей, наблюдается промежуточный фенотип. В таких случаях ген дикого типа только частично доминантен или кодоминантен)

Прямого доказательства того, что ген действительно детерминирует структуру белка, пришлось ждать до 1957 г., когда Ингрем (Ingram) показал, что серповидно-клеточная анемия, наследуемая как моногенный признак, обусловлена изменением аминокислотного состава белка гемоглобина.

Некоторые белки состоят более чем из одной субъединицы. Их называют мультимерными. Если субъединицы белка одинаковы, то белок гомомультимер, детерминируемый одним геном. Если же субъединицы белка различны, то белок называют гетеромультимером. Гемоглобин служит примером белка, состоящего более чем из одного типа полипептидных субъединиц. Группа гема связана с двумя ос-субъединицами и двумя в-субъединицами. Каждый тип субъединиц - иная полипептидная цепь и продукт другого гена. Таким образом, функция гемоглобина может быть подавлена мутацией в любом из генов, кодирующих либо б-, либо в-субъединицу. В связи с этими данными гипотеза "один ген - один фермент" была сформулирована в более общем виде, применительно к любому гетеромультимерному белку. Теперь она получила более точное выражение: "один ген - одна полипептидная цепь".

Новое определение: цистрон

Если рецессивная мутация-это любое изменение в гене, препятствующее образованию активного белка, то в каждом гене может произойти множество таких мутаций, так как многие аминокислотные замены могут существенно изменить структуру белка и нарушить его функцию.

Но каким образом отличить множественные аллели от мутаций в генах, тесно сцепленных и затрагивающих один и тот же фенотипический признак?

Но если мутации лежат в разных генах, родительские генотипы можно обозначить как (т, +) и (+ т2), где каждый имеет аллель дикого типа одного гена и мутантный аллель - другого гена. (Знак плюс используют для обозначения дикого типа) Тогда у гетерозиготы будет генотип

в котором оба родителя вместе обеспечивают по "дикой" копии каждого гена. Такая гетерозигота имеет дикий фенотип, а о генах говорят, что они комплементируют друг друга.

Рассмотрим более детально комплементационный тест с помощью рис.14, на котором представлены исследуемые генотипы в двух возможных конфигурациях. При конфигурации обе мутации находятся в одной и той же хромосоме. При трансконфигурации они расположены в противоположных хромосомах.

Сначала рассмотрим пример, когда мутации лежат в одном и том же гене. Транс-конфигурация соответствует тесту, который мы только что описали. Обе копии гена в этом случае мутантные. При i/uc-конфигурации, однако, один геном производит дважды мутантный белок, а другой-белок дикого типа. Таким образом, если исследуемые мутации лежат в одном гене, фенотип гетерозиготы определяется их взаимным расположением: при транс-конфигурации фенотип - мутантный, а при цис-конфигурации - дикого типа. И наоборот, если мутации лежат в разных генах, их взаимное расположение значения не имеет. Для каждого гена в обеих конфигурациях есть по одной мутантной копии и по копии дикого типа.

Из этого следует, что при цис-конфигурации результат не зависит в разных генах. Дмс-вариант используют в основном как "формальный контроль для выявления функции дикого типа, по отношению к которому судят о наличии или отсутствии комплементации при транс-конфигурации).

Если две мутации не комплементируют при трансконфигурации, то делается вывод, что обе они нарушают одну и ту же функцию. Такие мутации относят к одной группе комплементации. При анализе r/7-области фага Т4 все мутации распределились на две группы комплементации; в каждой из этих групп мутантные сайты расположились в линейном порядке. Внутри группы rllA и внутри группы rllB никакие две мутации не комплементировали друг друга, но любая мутация rllA была комплементарна любой мутации rllB. Эти данные говорят о том, что r/7-мутации соответствуют двум соседним группам комплементации, затрагивающим одну и ту же фенотипическую функцию.

Однако иногда наблюдается исключение из правила, что комплементировать могут только различные гены, - это в том случае, когда ген кодирует полипептид, представляющий собой субъединицу гомомультимерного белка. В клетке дикого типа активный белок состоит из нескольких идентичных субъединиц. В клетке, содержащей два различных мутантных аллеля, их продукты могут смешиваться, образуя мультимерные белки из субъединиц обоих типов. Иногда происходит взаимная компенсация мутаций, и в таком случае белок со смешанными субъединицами может быть активен, тогда как белки, содержащие только по одному типу мутантных субъединиц, неактивны. Такое явление называют межаллельной комплементацией.

Подводя итог, можно сказать, что описанный генетический анализ привел к представлению о гене как о серии последовательных сайтов в геноме. Предполагалось, что эта серия сайтов участвует в образовании единичного транс-активного продукта, т.е. полипептидной цепи. Но вскоре мы увидим, что это определение стало уже недостаточно точным.

Замечания, касающиеся терминологии

Прежде чем мы перейдем к молекулярному анализу гена, рассмотрим терминологию, используемую для описания генетических локусов и детерминируемых ими признаков.

Под термином генетический маркер часто подразумевается тот или иной ген, используемый для картирования или для идентификации конкретного локуса. Можно сказать, например, что клетка несет определенный набор маркеров, т.е. аллелей.

Буквенные символы генотипа всегда набирают курсивом; фенотип обозначают с помощью тех же символов, но набранных прямым шрифтом. Под термином "дикий тип" подразумевают нормальную активную форму гена, или нормальный фенотип. Для обозначения "дикого типа" можно использовать также знак плюс над названием локуса. Иногда для обозначения аллеля дикого типа используют знак " +" сам по себе (без символа соответствующего локуса), а локус указывают только для мутантного аллеля. Полностью дефектную форму гена (или отсутствие конкретного фенотипического признака) иногда обозначают с помощью знака минус в верхнем индексе. При описании множества мутантных аллелей, чтобы различать их друг от друга, вводят дополнительные индексы. Например, локус w (белые глаза) у D. melanogaster можно обозначить w + (красный цвет глаз) в случае аллеля дикого типа, w'-в случае мутантного аллеля (глаза цвета слоновой кости-ivory), wa-B случае другого мутантного аллеля (глаза абрикосового цвета-apricot) и т.д.

Для обозначения генов пользуются сокращениями, причем для обозначения различных генетических систем используются разные обозначения. Для большинства эукариотических систем нет ограничений в используемой форме сокращения. Согласно общему правилу, сокращение, принятое для обозначения доминантного аллеля, пишется с заглавной буквы (для дрожжей символ целиком пишут заглавными буквами), обозначения рецессивных аллелей - строчными.

При описании бактерий используют стандартную трехбуквенную номенклатуру. Одно и то же сокращение из трех строчных букв служит символом для всех генов, нарушающих один и тот же признак. Каждый индивидуальный ген обозначают дополнительной заглавной буквой. Существует, например, серия генов lac, известных как lacZ, lacYn lac А. Аллель дикого типа гена lacZ будет обозначен как lacZ +, а мутант-как lacZ~. Те же самые сокращения используются для описания фенотипа, но в этом случае они пишутся не курсивом, а прямо и начинаются с заглавной буквы. Так, дикий и мутантный ас-аллели определяют соответствующие фенотипы Lac+ и Lac-. Продукт гена - это фенотипический признак данного гена, и изображается он соответственно; например, белок LacZ-это фермент в-галактозидаза.