Ученые создавали в пробирке модель этой схемы. В ее состав входил полный набор аминокислот, рибосомы, растворимая РНК, а также искусственно полученные фрагменты информационной РНК. В таких условиях удавалось добиться синтеза простейших белков.
Ген. Что это такое?
Бывают моменты, когда полезно оглянуться назад, на пройденный путь. Именно такой момент настал для нас с тобой, читатель, — нам нужно вспомнить Менделя.
Он не мог заглянуть в глубь клетки, не было тогда еще самого термина — ген, но Мендель проследил путь генов, ориентируясь на их проявление, на признаки, которые они вызывают. И Мендель четко себе представлял, что наследственные задатки в зиготе парные, однако не смешиваются, а при образовании гамет разделяются, и парность их восстанавливается при оплодотворении.
Как же представлял себе Мендель наследственный задаток — ген? Прежде всего как частицу. Он не позволял себе теоретизировать. Это был экспериментатор, теории которого лишь обобщали эксперимент. Итак, наследственный задаток, по Менделю, — частица, нечто изначальное, неделимое, подобное атому, каким представляли его в те времена.
Вслед за Менделем пришли в науку новые люди и новые мысли. Моргану и его соратникам дело представлялось уже иначе. Теоретический взор ученого — он проникает через любые преграды — проник и сквозь клеточную оболочку. Гены для Моргана тоже частицы — именно он окончательно формулирует корпускулярную теорию наследственности. Но эти частицы уже объединены, они составляют группы сцепления — хромосомы. «Бусы на нитке» — вот, образно говоря, представления Моргана о расположении генов. Они ни в чем не нарушают менделевское теоретическое видение, а дополняют и развивают его. Теория становится стройной, однако все еще грешит недостатками — в ней нет места взаимосвязям и взаимодействиям внутри генотипа. Недостаток понятный и даже простительный: и Мендель и Морган — экспериментаторы, а главная заповедь любого экспериментатора — делать выводы, только непосредственно вытекающие из эксперимента.
Жизнь не стоит на месте, наука развивается, пополняется новыми данными, и вот уже экспериментаторы нового времени, сперва американец А. Стертевант, а затем молодые в ту пору советские исследователи Н. П. Дубинин и Б. Н. Сидоров, переместив ген из одной хромосомы в другую, обнаруживают, что меняется его проявление. Эффект положения! Открытие, сразу же внесшее в науку представления о связях и взаимных воздействиях. Теперь уже ген — все еще «висящая на нитке бусина» — не независим от генотипа. Напротив, выступает на первый план роль генотипа как целого.
Дубинин работал с линией дрозофилы, у которой хорошо была изучена мутабильность в первой хромосоме. И вдруг мухи устроили «сюрприз»: исследователи ввели во вторую хромосому инверсию — изменение, при котором часть хромосомы как бы переворачивается, порядок расположения генов в ней меняется на обратный. Из-за этой перестройки, легко осуществляемой путем скрещиваний, сильно изменилась мутабильность первой хромосомы.
Следовательно, мутабильность, то есть частота, с которой происходят генные перестройки, возникают мутации, зависит от всего генотипа в целом. Но мутации, в конечном итоге, — результат воздействия того или иного фактора среды, и значит, внешнее и внутреннее объединяется в единый взаимосвязанный комплекс.
Дубинину не было еще двадцати лет, когда скрупулезные эксперименты привели его к мысли поистине дерзкой — о делимости гена! Частица Менделя, корпускул Моргана, единица, представлявшаяся первичной и изначальной, как представлялся исследователям прошлого первичным и изначальным атом, оказывается довольно сложной, ее даже можно разделить кроссинговером! Целая серия превосходных экспериментов, подтверждающих эту мысль, была проведена сорок лет назад Дубининым и другими молодыми исследователями под руководством А. С. Серебровского. Вот мы и приблизились к современному понятию о гене — ген как участок ДНК. Если эксперименты прошлого лишь наводили на мысль о взаимосвязях между генами одной хромосомы и в генотипе в целом, то теперь эти связи стали настолько ясны, что даже... утратилось строгое представление о границах, разделяющих гены! Можно ли теперь сказать, что ген — корпускул, частица? И да и нет! Да, потому что он ведет себя как отдельность, частица в скрещиваниях. Нет, потому что не обнаружишь, где, собственно, проходит грань между «бусинами». Таким образом, современные представления, не отвергая, усложняют представления прошлого.
Проблема тонкой структуры гена сейчас одна из основных и главных проблем генетики. Мы в нее не будем вникать, однако кое-что, быть может, и не самое главное, но зато понятное, я расскажу.
Как происходит химическая мутация? Вопрос спорный и сложный, но вот один из возможных путей: для этого достаточно заменить в нуклеотидной цепочке лишь одну пару оснований. На практике возможен такой путь. 5-бромурацил, сокращенно называемый БУ, — это тимин, у которого метильная группа замещена бромом. По мнению Фриза, мутация под его воздействием происходит так: БУ в паре оснований А — Т замещает тимин. Однако при последующих делениях БУ не может сохраниться, так как у него нет сродства с аденином, он не составляет с ним пары. В результате из пары А — БУ может возникнуть пара БУ — Г. Гуанин, таким образом, уже заместил аденин. Но и с гуанином БУ не составит пары, поэтому при последующем удвоении нити ДНК БУ неизбежно будет заменен на Ц, и в нуклеотидной цепочке вместо первоначальной пары А — Т окажется новая пара: Г — Ц. А это уже мутация.
Но если замена одной пары нуклеотидов означает мутацию, то не следует ли считать, что каждая из пар в цепочке — обособленный ген? К сожалению, эту заманчивую возможность приходится, попросту говоря, отбросить. Ген — несравненно более сложное образование, недаром его можно разделить кроссинговером. Верно, что замена одной пары оснований — мутация, но неверно, что пара оснований — ген. По всей видимости, большинство генов включает в себя сотни нуклеотидных пар.
Что же представляет собой ген с точки зрения современной генетики? Сейчас ученые атакуют ген с трех сторон. Так, по поведению в скрещиваниях, по внешнему проявлению в виде контролируемого геном признака мы должны вслед за Морганом считать ген за единицу наследственности и даже признавать его относительную неделимость. Это чисто генетический подход. Другие исследования, биохимические, обнаруживают в составе гена тысячи нуклеотид; изменения хотя бы в одной их паре уже мутация. И наконец ген с точки зрения цитологической. Не так давно я с удовольствием развернул перед недоверчивым читателем фотографию хромосом из слюнных желез дрозофилы: «Видишь исчерченность? Смотри и удивляйся: это и есть гены». Сейчас я не собираюсь отказываться от своих слов, однако должен признаться: для сегодняшней генетики этих фактов уже недостаточно. И цитологи подбираются к гену новым путем: через электронную микроскопию.
Изучение тонкой структуры гена привело к выделению некоторых единиц. Так наименьший участок, который может быть выделен при помощи кроссинговера, называют реконом. Опыты на вирусах показали, что величина рекона 0,02% перекрестов. Следующая из выделенных единиц — мутон. Это наименьшее число нуклеотидных пар, изменение которых может вызвать мутацию. Исходя из описанной теории Фриза, мутоном может быть одна пара нуклеотид. Однако мутон, выделенный за счет генетической комбинаторики, составляет 0,05% перекреста. Третьей генетической единицей, которую выделили в последнее время, является цистрон. Очень трудно охарактеризовать его, не прибегая к изложению большого дополнительного материала. Однако по своему действию, по функциям цистрон соответствует старому доброму понятию «ген». По своей протяженности на ДНК цистрон больше рекона и мутона, так как внутри гена возможен перекрест, а изменение одной нуклеотидной пары внутри гена уже мутация.
Итак, каково сейчас состояние проблемы гена? Она в пути. Большие открытия и свершения и позади, и происходят сегодня, н впереди.
ГЛАВА ПЯТАЯ. ГЕНЕТИКА И СЕЛЕКЦИЯ,
в которой с высот теоретических придется нам перебраться на высоты практические. Тут автор заранее просит у читателя извинения: не сможет он вместе с ним совершить траверс хребта, именуемого селекцией; он поведет читателя лишь на некоторые вершины, с которых, впрочем, не так уж сложно обозреть весь горный хребет.
Н. И. Вавилов о селекции
Не было в нашей биологии фигуры крупнее, чем академик Николай Иванович Вавилов. «Мы только потому не говорим про Вавилова «гений», что он наш современник» — так сказал о Николае Ивановиче в конце тридцатых годов один крупный биолог.
В XX веке науки усложнились, специализировались. Теперь даже две смежные области нельзя уже знать в совершенстве.