Теория гена Развитие представлений о гене

Теория гена
Развитие представлений о гене
 Представления о генах как о носителях
наследственной информации и как о
материальных частицах живой материи
претерпели значительную эволюцию по
мере развития генетических знаний и
совершенствования методов, которыми
оперирует генетика.
 При этом, в вопросах, связанных с
выяснением структуры и функций
генов и в настоящее время остается
много невыясненного. В связи с этим,
проблема гена и по сей день остается
центральной проблемой генетики.
 Практически до середины 20 века среди биологов
господствовало мнение, что генетический материал в
хромосомах представляют белки. Знаменательной вехой
явилось экспериментальное доказательство
генетической роли ДНК О. Эйвери, К. Маклеодом и М.
Маккарти (1944г) и раскрытие Дж. Уотсоном и Ф.
Криком трехмерной двуспиральной структуры
молекулы ДНК (1953г). Эта модель отвечала всем
основным требованиям, необходимым генетическому
материалу для выполнения биологических функций.
Химическая структура гена, связанная с линейным
расположением нуклеотидов в цепи, позволяла
сохранять закодированную с помощью генетического
кода наследственную информацию. Таким образом,
только в 1953 году произошла материализация гена.
 В настоящее время ген определяют как единицу
наследственной информации, занимающую
определенное положение в геноме и
контролирующую выполнение определенной
функции в организме.

С использованием современных
биохимических и молекулярно-биологических
методов к настоящему времени уже
расшифрована первичная структура многих
генов, выяснены основные черты их строения и
особенности функционирования.
 Впервые термин «ген» для
обозначения дискретной
единицы, выявляемой при
помощи
гибридологического
анализа, был введен В.
Иоганзеном в 1909 году,
причем в это время с
понятием «ген» не
связывали каких-либо
гипотез о его сущности и
материальной природе.
 Ген представлялся как обособленный
участок хромосомы, контролирующий
один определенный признак,
изменяющийся (мутирующий) как
единое целое и неделимый при
кроссинговере. Сцепленные в хромосоме
гены представлялись как бусинки,
нанизанные на нить.
Теория «присутствия – отсутствия»
 Аллельной парой признавали два гена,
расположенных в гомологичных хромосомах в
строго идентичных участках и влияющих на
развитие одного и того же признака. Такое
представление подчеркивало и преувеличивало
дискретность гена. Для объяснения существования
пар аллелей еще в 1902 году К. Корренс и У. Бэтсон
предложили теорию «присутствия – отсутствия»,
согласно которой доминантный признак обусловлен
наличием определенного гена, а рецессивный – его
выпадением (отсутствием).
Теория «присутствия – отсутствия»
 Несмотря на то, что данная теория очень
просто объясняла существование пар
аллелей, очень скоро она была подвергнута
справедливой критике, главным
аргументом которой было открытие
явления множественного аллелизма.
Множественный аллелизм
 С одной стороны, гены характеризуются
относительной устойчивостью, что
определяет константную передачу
признаков и свойств в поколениях. Однако
в естественных условиях постоянно
происходит спонтанный процесс изменения
генов, приводящий к появлению новых
признаков и свойств организмов,
оцениваемых отбором. В результате таких
мутаций исходный ген преобразуется и
переходит в новое состояние.
Множественный аллелизм
 Разные состояния одного и того же гена,
возникающие путем мутаций, получили название
аллелей данного гена. Группа мутантных аллелей
одного гена составляет серию множественных
аллелей.
 Примерами множественного аллелизма являются:
серия аллелей окраски шерсти у кролика (5
аллелей), 3 аллеля группы крови системы АВ0 у
человека, более 10 аллелей локуса white у
дрозофилы, контролирующих окраску глаза (темнокрасный, темно-желтый, слоновой кости,
абрикосовый, вишневый, коралловый, белый и
др.).
Теория гена Т.Моргана
 В 1926 году Т. Морган предпринял первую
попытку конкретизации представлений о
гене. Согласно «Теории гена» Т. Моргана
ген определялся как: 1 –единица мутации, 2
– единица рекомбинации, 3 – единица
функции.
 Согласно этим трем положениям Т. Морган
предложил использовать функциональный
и рекомбинационный критерии аллелизма,
которые позволяли относить изучаемые
мутации к одному либо к разным генам.
Критерии аллелизма
 Рекомбинационный критерий аллелизма
гласил, что если мутации не
рекомбинируют, то они являются
аллельными (т.е. относятся к одному гену).
 Функциональный критерий аллелизма был
основан на скрещивании разных мутантов с
последующим выяснением вопроса:
нарушают данные мутации одну либо
разные функции.
Функциональный тест на аллелизм
а1
А2
А1
а2
Р ___х____|_______
_______|____х___
___х____|_______ Х _______|____х___
а1
А2
А1
а2
F1
а1
А2
__х____|_______
_______|____х__
А1
а2
дикий тип (дигетерозигота)
а1
___х___________
___х___________
а1
F1
Х
а2
___________х___
___________х___
а2
а1
___х___________
___________х___
а2
мутантная форма (гетероаллельная
комбинация или компаунд)
 Если при скрещивании двух мутантов возникает немутантная
дигетерозигота, в силу доминирования нормальных аллелей каждого
из генов, то данные мутации не являются комплементарными друг
другу.
 Если скрещиваемые мутанты несут в дигетерозиготе аллельные
мутации, то дикий тип в потомстве не проявляется, так как оба
аллеля одного и того же гена в разных хромосомах будут иметь
мутационные изменения (мутации комплементарны).
 Предложенные критерии аллелизма
совпадали между собой в экспериментах
исследователей школы Т.Моргана,
однако по мере увеличения
разрешающей способности
генетического анализа стали
накапливаться противоречия, которые
дали импульс для дальнейшего развития
теории гена.
Ступенчатый аллелизм
 Одним из таких
противоречий явились
результаты,
полученные в 1929 году
А.С.Серебровским и
Н.П.Дубининым при
описании явления т.н.
ступенчатого
аллелизма.
Н. П. Дубинин
Академик Н.П.Дубинин (справа) на открытии выездного
заседания секции генетических аспектов проблемы «Человек и
биосфера», КемГУ, 1982г.
Ступенчатый аллелизм
 Это явление, которое было
открыто при изучении
генного локуса scute (sc),
контролирующего развитие
щетинок на теле дрозофилы
доказывает сложную
структуру, протяженность и
делимость гена. Известно,
что отдельные мутации в
локусе scute приводят к
разным фенотипическим
эффектам, в том числе – к
редукции щетинок.
Из Н.П. Дубинина, 1994
Ступенчатый аллелизм
 Оказалось, что независимо возникающие
мутации в этом локусе способны
определенным образом взаимодействовать в
гетерозиготном состоянии.
 В частности, при скрещивании особей,
гомозиготных по разным мутациям в этом
локусе, у гетерозиготного потомства
(компаундов) отсутствовали только те
щетинки, которые были редуцированы у
обоих родителей.
Ступенчатый аллелизм
 Например, если
мутация sc1 приводит
к редукции щетинок
АВС, а мутация sc2 –
ВСД, то у гетерозигот sc1// sc2 будут
редуцированы
щетинки В и С, но не А
и Д.
sc1//sc1 sc2//sc2 -
sc3//sc3 sc4//sc4 -
АВС
ВСД
СДЕ
ДЕ….
Ступенчатый аллелизм
 Всего в локусе scute было
изучено 13 разных мутаций,
при этом в любых их
сочетаниях в гетерозиготе
наблюдалась та же
закономерность, которую
можно представить
графически как подобие
лестницы, ступенями
которой служат отдельные
аллели локуса.
(из Dubinin, 1933)
Центровая теория строения гена
 Авторы назвали ген scute базигеном,
т.е. участком хромосомы, занимаемым
всеми мутационными изменениями –
трансгенами.
 Отдельные мутационные участки
внутри базигена были названы
центрами, а сама теория сложного
строения или делимости гена получила
название центровой.
Центровая теория строения гена
 Таким образом, А. С. Серебровский и Н. П.
Дубинин экспериментально показали, что ген не
является единицей мутации (противоречие
функциональному критерию аллелизма), что он
имеет сложную структуру: состоит из нескольких
субъединиц, способных самостоятельно
мутировать. Весь ген (базиген) может состоять из
отдельных центров, трансгенов, каждый из
которых несет сходную функцию. Мутация может
нарушать деятельность одного из трансгенов, не
затрагивая других.
Псевдоаллелизм
 Неправомочность представлений о гене как
о единице рекомбинации была доказана в
40-х годах XX века при изучении некоторых
генов экспериментами по внутригенному
кроссинговеру на дрозофиле по локусам
lozenge, white и др. (работы Э. Льюиса, М.
Грина и др.). В частности, у Dr. melanogaster
в системе lozenge (безфасеточные глаза)
известно 18 аллелей, относящихся к 3 генам.
Псевдоаллелизм
 М. Грин и К. Грин (1949г.) смогли получить
гетерозигот lzBS // lzg, в потомстве которых с
частотой всего 0,1% появлялись особи с
нормальными глазами (дикий тип), а также особи с
более сильным мутантным проявлением, чем
любой из исходных аллелей. Такое могло произойти
только вследствие кроссинговера внутри гена lz.
Это явление, названное псевдоаллелизм,
доказывало, что рекомбинация, хотя и редко, может
происходить в пределах одного гена.
Следовательно, несостоятельным оказался и
второй критерий аллелизма Т.Моргана –
рекомбинационный. Сам же термин
«псевдоаллелизм» возник из-за желания ученых
спасти представление о неделимости гена.
 Таким образом, открытие таких явлений как
ступенчатый аллелизм и псевдоаллелизм
позволило выявить противоречия между
рекомбинационным и функциональным
критериями аллелизма, которые послужили
основой для первого кризиса в теории гена.
Разрешение этого кризиса стало возможным
только тогда, когда сами гены стали объектом
пристального изучения уже на молекулярнобиологическом уровне.
Один ген – один фермент
 В 40-х годах ХХ века большой вклад в понимание
структуры и функции гена внесли Дж. Бидл и Э.
Тейтум, которые впервые исследовали
биохимические мутации у Neurospora crassa. В этих
работах было показано, что разные мутации
ауксотрофности у этого объекта затрагивают
конкретные этапы метаболизма. Кроме этого,
оказалось, что аллельные мутации всегда
относятся к нарушению одного и того же этапа
биосинтеза.
Один ген – один фермент
 Соответственно этому была выдвинута
концепция один ген — один фермент,
согласно которой каждый ген определяет
структуру какого-либо белка-фермента. В
последующем она была трансформирована
в концепцию один ген — одна
полипептидная цепь.
 Принцип «один ген — один фермент»
послужил основой для стратегии
дальнейшего развития теории гена, т.к.
из него следовало, что необходимо
изучать не только мутантные гены, но и
контролируемые ими ферменты. Таким
образом, в генетике развилось новое
направление – получение и изучение
мутантов по одному или немногим
генам, с последующим фенотипическим
исследованием мутантных белков.
 В 50-60-х годах ХХ века структуру гена
изучали главным образом на основе
рекомбинации аллельных мутаций у
целого ряда объектов и, прежде всего, у
микроорганизмов. Особенно больших
результатов достиг Сеймур Бензер,
который работал с фагом Т4,
инфицирующим E. coli. В частности,
Бензер (1961) изучал мутации в локусе
rII, отвечающем за реакцию «быстрый
лизис».
«рекон» - единица рекомбинации
 Используя различное фенотипическое проявление
мутантов rII на разных штаммах кишечной
палочки, а также ряд методических новшеств,
ученый получил рекомбинационную карту генома
фага. Оказалось, что при физических размерах в
2700 пн локус rII имеет рекомбинационную длину
10%. Минимальные частоты рекомбинации,
полученные экспериментально, составили всего
0,02%, т.е. 1/500 часть от всего рекомбинационного
расстояния. Был сделан вывод о том, что
рекомбинация может происходить между каждыми
5-6 нуклеотидами, т.к. весь локус составляет 2700
пн (2700/500).
«рекон» - единица рекомбинации
 В дальнейшем (Ч.Яновский) было показано,
что кроссинговер может происходить между
любыми парами нуклеотидов (реконом).
«мутон» - единица мутации
 С. Бензер пытался провести также ревизию и
самого термина «ген». В 1957 году он предложил
использовать т.н. цис-транс-тест Э. Льюиса для
отнесения изучаемых мутаций к одной или разным
единицам функции.
 Согласно этому тесту мутации попарно
испытывают в гетерозиготном состоянии в двух
конфигурациях: цис – когда обе мутации
происходят от одного родителя и в транс – когда
мутации поступают в гетерозиготу от разных
родителей.
цис-транс-тест
Мутации
Цисконфигурация
Трансконфигурация
Неаллельные
Аллельные
_|____х_____|____х____|_
_|____х__________х____|_
_|__________|_________|_
_|____________________|_
дикий тип
дикий тип
_|____х_____|_________|_
_|____х______________|_
_|__________|____х____|_
_|__________|____х____|_
дикий тип
мутант
Согласно С.Бензеру, если цис- и транс- гетерозиготы имеют
немутантный фенотип, то мутации относятся к разным единицам
функции. Если же в цис-конфигурации образуется дикий тип, а в
транс-конфигурации – мутантный, то данные мутации являются
аллельными, т.е. они относятся к одной единице функции,
которую С.Бензер назвал цистрон.
 Очевидно, что в случае рецессивных
мутаций цис-транс-тест сводится к
функциональному тесту на аллелизм
Т.Моргана и, следовательно, понятия
«цистрон» и «ген» как функциональных
единиц совпадают.
 Таким образом, после доказательства
генетической роли нуклеиновых кислот и
расшифровки структуры молекулы ДНК С.
Бензер в экспериментах на бактериофаге Т4
показал, что наименьшими мутирующими
элементами гена являются отдельные пары
нуклеотидов, и кроссинговер может происходить
между двумя парами нуклеотидов. Было
окончательно постулировано, что ген
представляет собой определенный участок ДНК,
состоящий из нескольких тысяч пар
нуклеотидов, способных мутировать и быть
разделенными рекомбинацией, но
функционально представляющий единое целое.