Изучение закономерностей наследственности и изменчивости на клеточном уровне

В конце Х1Х века были обнаружены хромосомы и исследованы митоз и мейоз. Флемминг (1980-1982) обнаружил расхождение сестринских хроматид при митозе, Ван Бенеден (1883) наблюдал равномерное регулярное распределение хромосом между дочерними ядрами. Бовери (1888) выявил индивидуальные особенности каждой пары хромосом. Сам термин «хромосомы» ввёл Вальдейер (1888). А.Вейсман предположил, что постулированная им «зародышевая плазма» должна находиться в хромосомах. Развитие учения о клетке привело к уточнению строения, формы и количества хромосом. В общих чертах было выяснено поведение хромосом в митозе и мейозе, установлено постоянство хромосомных наборов.

В 1902 г. Т.Бовери и У.Сэттон, независимо друг от друга, установили взаимосвязь между менделевскими законами наследования, с одной стороны, и поведением и распределением хромосом во время созревания половых клеток в мейозе, с другой. В 1903 г. У. Сэттон поместил менделевские факторы (гены) в хромосомы.

При исследовании кариотипов многих животных было установлено, что у женского организма каждая хромосома имеет парную, а у мужских организмов имеются две непарные хромосомы, которые и определяют пол организма. Их назвали половыми, или гетерохромосомами, в отличие от остальных – аутосом. Большую из непарных хромосом, одинаковую у мужских и женских организмов, назвали Х-хромосомой, а меньшую, имеющуюся только у мужских организмов, - У-хромосомой. В 1907 г. Корренс выдвинул хромосомную теорию определения пола, согласно которой пол будущего организма определяется в момент оплодотворения и зависит от хромосомного набора зиготы.

Томас Хант Морган Альфред Генри Стёртевант

(1866-1945) (1891-1970)

В 1906 г. Л.Донкастер в опытах с бабочкой - крыжовниковой пяденицей открыл наследование, сцепленное с полом, а английские генетики У.Бэтсон и Р.Пеннет обнаружили явление сцепленного наследования признаков в опытах с душистым горошком. До создания хромосомной теории наследственности оставался один шаг.

С 1910 г. начинаются эксперименты американского генетика и эмбриолога Т.Моргана на новом генетическом объекте – плодовой мушке дрозофиле. На основе этих работ он вместе со своими учениками А.Стертевантом, К.Бриджесом и Г.Меллером к середине 20-х годов формулирует хромосомную теорию наследственности, согласно которой гены расположены в хромосоме как бусы на нити, образуя группы сцепления. Число групп сцепления генов соответствует числу пар гомологичных хромосом. Гены одной группы сцепления наследуются преимущественно вместе (сцепленно), но могут и перекомбинироваться в процессе мейоза благодаря явлению кроссинговера, что лежит в основе одной из форм наследственной изменчивости организмов - рекомбинативной. Открытие кроссинговера, т.е. обмена генами гомологичных хромосом, возникающее в результате их перекреста и сопровождающееся перекомбинацией ранее сцепленных признаков, позволило определить генный состав хромосом, а также точки расположения в них отдельных генов, контролирующих наследование тех или иных признаков. Появилась возможность построения генетических карт хромосом, и было доказано, что гены расположены в хромосомах в строго линейном порядке. Морган создал первый вариант теории гена – элементарного носителя наследственной информации.

В 1925 г. советские микробиологи Г.Надсон и Г.Филипов открыли индуцированный мутагенез, обнаружив влияние радиоактивного излучения на мутационный процесс у низших грибов. В 1927 г. американский ученый Г.Меллер открыл мутагенный эффект рентгеновских лучей.

В 1929 г. А.Серебровский и Н.Дубинин, используя метод индуцированного мутагенеза, приступили к изучению строения гена у дрозофилы. Еще не зная, что такое ген и из какого материала он состоит, на основании результатов собственных исследований они пришли к выводу о его сложной организации. Серебровский и Дубинин разработали так называемую центровую теорию гена, основанную на признании делимости гена и расположении субъединиц гена в линейном порядке в пределах гена.

Следующий вопрос, на который необходимо было ответить генетикам, -каким же образом гены выполняют свои функции? Уже с момента зарождения генетики у многих исследователей возникала идея связать гены с ферментами. В работах, проведенных с 1902 по 1908 г., английский врач Геррод высказал мнение, что болезнь человека – алкаптонурия- обусловлена нарушением какой-то метаболической реакции, катализируемой ферментом. Его фраза – «врожденные ошибки метаболизма» - заключала в себе концепцию, согласно которой генетический дефект может привести к нарушению определенного метаболического процесса, обусловливая тем самым наблюдаемый мутантный фенотип.

Систематические попытки связать гены с ферментами предприняли в 30-х гг. Дж. Бидл и Б. Эфрусси. Они установили, что нормальная красная окраска глаз у дрозофилы развивается в результате серии отдельных стадий и что блокирование этого процесса на разных стадиях приводит к образованию различных мутантных окрасок.

Огромный вклад в понимание функции гена внесли работы Дж.Бидла и Е.Татума по изучению биохимических мутаций у нейроспоры. В 1941 г., на основании результатов своих исследований, они сформулировали принцип «один ген – один фермент», означавший, что каждый ген контролирует синтез какого-либо фермента. Согласно этой концепции, 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 или нефункциональные гены, или гены с измененными функциями. Прямого доказательства того, что ген действительно определяет структуру белка, пришлось ждать до 1957 г., когда Ингрем показал, что серповидноклеточная анемия, наследуемая как моногенный признак, обусловлена изменением аминокислотного состава белка гемоглобина.

Джордж Бидл (1903-1989) Эдвард Тейтум (1909-1975)

структуре и функции. Однако молекулярная природа гена оставалась неизвестной.

Еще в 20-е гг. ХХ века было установлено, что хромосомы состоят из белков и нуклеиновых кислот. В 1928 г., а, в более развернутой форме в 1935 г., русский генетик Н.Кольцов выдвинул гипотезу о молекулярной организации и матричном синтезе гена. Он исходил из того, что материал хромосомы должен тянуться от одного ее конца до другого. И таким материалом, по его мнению, должна быть молекула белка. Разметка молекулы на гены по этой модели осуществляется легко: в белках всегда существуют радикалы, отличные один от другого, которые могут представлять гены. Изменения радикалов должны приводить к мутациям. Таким образом, вместо случайной сборки генов в хромосому при ее удвоении он предложил фактически матричный принцип воспроизведения хромосом, при котором сохраняется порядок расположения генов. По мнению Н.Кольцова, как и большинства исследователей этого периода, «такая простенькая молекула, как ДНК» не могла выполнять сложные генетические функции. Модель Кольцова привлекла внимание, но оказалась неверной, так как позднее было выяснено, что наследственным материалом хромосом являются не белки, а дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК.