От морганизма к молекулярной генетике

В последней трети XIX века были вскрыты клеточные основы процессов оплодотворения, подробно описано слияние половых клеток, обосновано представление об обязательном участии двух начал - материнского и отцовского в формировании зачатка у организмов с половым размножением.

Обобщив имевшиеся данные, А. Вейсман приходит к выводу, что носителем наследственности является ядро. Но какие именно элементы ядра? Работы Ф. Шнейдера наводили на мысль, что этими элементами являются «цветные тельца» - хромосомы. В 1883 году Э. ван Бенеден заметил, что в половых клетках хромосом в два раза меньше, чем в остальных клетках, что только после слияния гамет образуется нормальный хромосомный набор. Пришли к выводу, что в ходе гаметогенеза происходит разделение наследственного начала, а при оплодотворении - смешение этих начал, заключенных в хромосомах. Хромосомы стали рассматривать как вместилища тех «зачатков признаков», о которых говорил еще Ш. Ноден. Подтверждением посчитали работы цитологов У. Саттена и Т. Бовери. Они показали, что законы Г. Менделя хорошо объясняют распределение хромосом при делении клеток. К такому же выводу пришли К. Кэннон и Е. Вильсон. Начала формироваться хромосомная теория наследственности.

Важный вклад в развитие этой теории внес Томас Морган. Он считал, что с введением понятия о гене отнюдь не исчезает необходимость разработки представлений о существе глубинных основ наследственности как важнейшем атрибуте жизненных процессов. «Предположение, что частицы хроматина… могут в силу своей материальной природы наделять всеми свойствами жизни, превосходит воображение даже самого убежденного материалиста», - писал он в 1915 году в своей книге «Механизм менделевской наследственности». Вместе с тем он высоко оценивал значение менделизма как одного из поднаправлений учения о наследственности. В этом его убеждали и собственные опыты по генетике, к которым он приступил в 1909 году.

Т. Моргану удалось подобрать весьма удачный модельный объект для генетических исследований - плодовую мушку дрозофилу. Именно на дрозофиле он провел целый ряд исследований, которые позволили ему объяснить смысл явления сцепления признаков. Этому явлению не придавал значения Г. Мендель, который полагал, что «поведение в гибридном соединении каждой пары различающихся признаков независимо от других различий,… признаки могут вступать во все соединения, которые только возможны по правилам комбинаций». Г. Мендель заблуждался - он не учитывал плеядный характер взаимодействия признаков в организме живых форм. Последователи же возвели это заблуждение в ранг «третьего закона Г. Менделя».

В отличие от Г. Менделя Т. Морган не только указал на широкое распространение явления сцепления признаков при наследовании, но и попытался дать ему объяснение. Он обратил внимание, что число совместно наследуемых групп признаков соответствует числу пар хромосом. У дрозофилы четыре такие пары. Т. Морган обнаружил три группы сцепления признаков, а его ученик Г. Меллер открыл и четвертую.

Т. Морган также установил, что участки хромосом, ответственные за формирование тех или иных признаков (такие участки получили наименование «гены»), следуют в хромосоме один за другим, подобно бусинам на нитке в ожерелье. И у последователей Т. Моргана стало нормой объяснять наследственные изменения нарушением строения «бусин» - генов или их расположения в хромосоме.

Более того, оказалось, что на эти параметры можно воздействовать, вызывая искусственным путем стойкие наследственные изменения признаков - мутации. Работы Г. Меллера, Г. А. Надсона, Г. С. Филиппова положили начало применению искусственного мутагенеза на практике. У селекционеров появился эффективный способ ненаправленного воздействия на наследственность. Проблемы направленного формообразования эти методы и подходы не решали.

Со временем было обнаружено, что важнейшим компонентом хромосом являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Именно на них записана информация о белках-биополимерах, без участия которых невозможен синтез ни одного признака. Хромосомная теория наследственности (морганизм) трансформировалась в молекулярную генетику, в учение о гене как участке ДНК. Упомянутая трансформация протекала весьма быстро.

До 40-х годов исследованием нуклеиновых кислот, к которым относится ДНК, занималась лишь небольшая группа специалистов. Но в 1944 году были опубликованы данные О. Эйвери, К. Мак-Леода и М. Мак-Карти, которые наводили на мысль, что именно молекулы ДНК отвечают за наследование признаков, по крайней мере у микроорганизмов.

В 1948 году изучением тонкой структуры нуклеиновых кислот занялся А. Тодд. Его исследования, а также работы У. Астбери, Э. Чаргаффа, М. Уилкинза содействовали формированию знаний о тех компонентах, из которых состоят молекулы нуклеиновых кислот. Исходя из такого рода данных, Ф. Крик и Дж. Уотсон разработали и в 1953 году опубликовали модель строения молекулы ДНК, оказавшуюся верной. Этим годом и датируется возникновение молекулярной генетики.

Усилиями С. Очоа и А. Корнберга удалось выделить фермент полимеразу, с помощью которого даже вне клетки, в условиях культуры стало возможным синтезировать ДНК. Работы М. Ниренберга и Г. Маттей положили начало расшифровке молекулярного кода, с помощью которого в молекуле ДНК зашифрована информация о белках. Основываясь на знании этого кода, С. Очоа и X. Г. Корана впервые синтезировали ряд искусственных полинуклеотидов с заданными свойствами - искусственных генов.

Белковые коды оказались одинаковыми у всех организмов, хотя для синтеза одних и тех же белков могут использоваться и разные «шифры». Несколько отличен «язык» ДНК, содержащейся в митохондриях. Довольно быстро удалось выяснить, где происходит считывание (транскрипция) информации в структуру белковых молекул. Ответу на этот вопрос содействовало открытие того факта, что в тканях, где идет активный синтез белков, наблюдается повышенное содержание еще одной разновидности нуклеиновых кислот - рибонуклеиновой кислоты (РНК). Предположили, что РНК ответственны за доставку аминокислот к местам синтеза белка - рибосомам, и назвали их транспортными РНК. Гипотезу эту подтвердил Р. Холли. Он впервые сумел синтезировать тРНК, ответственную за транспортировку аминокислоты аланин.

С 1954 по 1967 год были получены ответы на все принципиальные вопросы молекулярной генетики, и начался период бурного творческого развития этого нового раздела генетики. Всеобщим стало убеждение, что элементарная единица наследственности есть не что иное, как участок молекулы ДНК, представляющий собой совокупность мономеров этой молекулы (нуклеотидов), на которых записана информация об одном белке. Совокупность всей ДНК клетки получила наименование «геном». Его и приняли в качестве наследственной основы. Теоретическим кредо молекулярной генетики стали идеи редукционизма - представление о том, что можно сводить явления наследственности к событиям, реализуемым исключительно через взаимодействия нуклеиновых кислот и белков. Именно в этом направлении были развиты идеи «отца молекулярной биологии» Э. Шредингера, который допускал, что хромосомные структуры содержат в себе «и кодекс законов, и исполнительную силу», что они «и архитектурный проект, и строительная бригада» наследственности.

Представление о ДНК как носителе наследственности стало руководящим в практической генетике:  селекции,  биоинженерии,  медицине.  В 1970 году Г. Темин обнаружил фермент, который обеспечивал возможность «переписывать» наследственную информацию с матрицы информационной РНК на молекулы ДНК. Тем самым была изменена центральная догма молекулярной биологии о том, что наследственная информация поступает только с молекулы ДНК на РНК: как оказалось, она может передаваться и в обратном направлении.