Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 3 (страница 67)

Способ репликации ДНК, предложенный Уотсоном и Криком и показанный на рис. 22.16, известен под названием полуконсервативной репликации, так как при этом каждая новая двойная спираль сохраняет одну цепь исходной двойной спирали ДНК. Этот механизм основан на данных, полученных Мезелсоном и Сталем в серии классических экспериментов в 1958 г. Клетки Е. coli содержат одну кольцевую хромосому; при выращивании этих клеток в течение многих поколений на среде, содержащей тяжелый изотоп азота (¹⁵N), вся их ДНК метилась этим изотопом. Клетки с меченой ДНК переносили на среду, содержавшую обычный изотоп азота ¹⁴N. По прошествии срока, соответствующего времени генерации Е. coli (50 мин при 36°С), брали пробы клеток, выделяли из них ДНК и центрифугировали 20 ч при 40 000 g в растворе хлористого цезия (CsCl). При этом тяжелые молекулы CsCl начинали осаждаться, образуя градиент плотности, которая возрастала от верхушки к дну пробирки. ДНК собиралась на том уровне, на котором плотность раствора CsCl была равна ее плотности. При исследовании в ультрафиолетовых лучах ДНК в центрифужной пробирке имела вид узкой полосы. Расположение полос ДНК, выделенной из клеток, выращенных на средах с ¹⁵N и с ¹⁴N, и интерпретация их структуры представлены на рис. 22.16. Эти эксперименты убедительно показали, что репликация ДНК происходит полуконсервативным способом.

22.2. Были выдвинуты три гипотезы для объяснения процесса репликации ДНК. Один вариант получил название полуконсервативного; он описан выше и представлен на рис. 22.14. Две другие гипотезы — о консервативной репликации и о дисперсивной репликации-представлены на рис. 22.17.

Нарисуйте схемы распределения различных типов ДНК в градиенте плотности, которые обнаружили бы Мезелсон и Сталь для двух первых поколений клеток, если бы были верны консервативная и дисперсивная гипотезы.

22.5. Природа генов

Изучение наследственности уже давно было связано с представлением о ее корпускулярной природе. В 1866 г. Мендель высказал мнение, что признаки организмов определяются наследуемыми единицами, которые он назвал "элементами". Позднее их стали называть "факторами" и, наконец, генами; было показано, что гены находятся в хромосомах, с которыми они и передаются от одного поколения другому (см. разд. 23.2).

Рис. 22.14. Репликация двойной спирали ДНК. Спираль родительской ДНК раскручивается, и комплементарные цепи отделяются одна от другой в результате разрыва слабых водородных связей между комплементарными основаниями. Полинуклеотидные цепи ДНК не разрываются благодаря прочности их фосфодизфирных связей. Происходит спаривание между основаниями матричной цепи и свободными нуклеозидтрифосфатами, и последние связываются друг с другом, образуя новую полинуклеотидную цепь. Таким образом получаются две идентичные молекулы ДНК. В разделении родительских цепей и образовании новой полинуклеотидной цепи участвует фермент ДНК-полимераза, но, по всей вероятности, на репликацию оказывают влияние также и другие ферменты

Рис. 22.15. Роль ДНК-лигазы в репликации ДНК. Стрелками показаны направления, в которых перемещается ДНК-полимераза при образовании новых двойных спиралей ДНК. ДНК-лигаза обеспечивает соединение коротких отрезков нуклеотидной цепи в точках, помеченных звездочками

Несмотря на все то, что нам теперь известно о хромосомах, а также о структуре и функциях ДНК, дать точное определение гена все еще очень трудно. В результате изучения природы гена пока удалось сформулировать три возможных определения гена; мы кратко рассмотрим их, так как они важны для понимания некоторых вопросов генетики и эволюции.

Ген как единица рекомбинации. На основании своих работ по построению хромосомных карт дрозофилы (см. разд. 23.3) Морган постулировал, что ген — это наименьший участок хромосомы, который может быть отделен от примыкающих к нему участков в результате кроссииговера. Согласно этому определению, ген представляет собой крупную единицу, специфическую область хромосомы, определяющую тот или иной признак организма.

Ген как единица мутирования. В результате изучения природы мутаций было установлено, что изменения признаков возникают вследствие случайных спонтанных изменений в структуре хромосомы, в последовательности оснований или даже в одном основании (разд. 23.9). В этом смысле можно было сказать, что ген — это всего-навсего одна пара комплементарных оснований в нуклеотидной последовательности ДНК, т. е. наименьший участок хромосомы, способный претерпеть мутацию.

Рис. 22.16. Результаты экспериментов Мезелсона и Сталя по изучению репликации ДНК и их интерпретация. Ширина полос ДНК в центрифужных пробирках отражает относительные количества различных типов молекул ДНК, указанных справа. В пробирке В отношение ширины полос 1:1, а в пробирке Г-3:1

Ген как единица функции. Поскольку было известно, что от генов зависят структурные, физиологические и биохимические признаки организмов, было предложено определять ген как наименьший участок хромосомы, обусловливающий синтез определенного продукта.

Самое приемлемое определение-третье, но в нем не указано, какого рода продукт синтезируется. Известны случаи, когда один "ген" воздействует на несколько признаков (см. разд. 23.1.1), а в других случаях несколько "генов" (полигены) могут определять один специфический признак (разд. 23.7.6).

Третье определение получило признание в результате исследований Бидла и Татума. Сформулированная ими гипотеза, известная под названием "один ген — один фермент", нашла много подтверждений с развитием новой области биологии — молекулярной генетики. Впоследствии эта гипотеза была преобразована в функциональную концепцию "один цистрон — один полипептид" (разд. 22.5.1).

22.5.1. Гены и ферменты

Предположение о связи между генами и ферментами впервые высказал, хотя и без употребления этих слов, английский врач Арчибальд Гаррод в 1908 г. Гаррод постулировал, что некоторые "врожденные ошибки метаболизма" — результат неспособности тела вырабатывать определенные химические вещества, что в свою очередь обусловлено наследственными механизмами. Прошло почти 40 лет, прежде чем первые работы по молекулярной генетике подтвердили эту гипотезу и во всей полноте продемонстрировали ее значение.

Исследования в области молекулярной генетики начались с выявления различных веществ и ферментов, участвующих в метаболических процессах. Некоторые нарушения метаболизма связаны с дефектами, которые наследуются так, как если бы они определялись единичными генами. Эти нарушения возникают спонтанно, как в случае мутаций, или же передаются по наследству в соответствии с обычными законами генетики. Рассмотрим, например, обмен аминокислот фенилаланина и тирозина; обычно они используются для синтеза клеточных белков и других веществ, выполняющих структурные и физиологические функции, а их избыток распадается с образованием СО₂, воды и азотистых отходов метаболизма. Во всех случаях судьбу этих аминокислот определяет простой метаболический путь, в котором участвует несколько ферментов. Дефектный фермент или отсутствие фермента в одной из четырех точек на этом пути приводит к таким нарушениям метаболизма, как фенилкетонурия, кретинизм, альбинизм и алкаптонурия. Характер наследования этих четырех заболеваний указывает на то, что каждое из них контролируется каким-то одним рецессивным геном.

Рис. 22.17. Схема, поясняющая две другие гипотезы о способе репликации ДНК

Дальнейшие важные данные в пользу гипотезы "один ген — один фермент" были получены в работах Бидла и Татума, начатых в 1941 г. и посвященных механизмам наследования ферментов у розовой хлебной плесени (Neurospora crassa). Подобно Менделю и Моргану, эти авторы очень тщательно выбирали объект для своих экспериментов. Нейроспора — сумчатый гриб (аскомицет), обладающий следующими ценными для генетика качествами:

1) его легко выращивать;

2) его можно получать в больших количествах;

3) у него короткое время генерации (10 дней);

4) вегетативная стадия гаплоидная.

Последняя особенность очень важна. Поскольку на протяжении большей части жизненного цикла клетки этой плесени содержат только один набор хромосом, проявление рецессивных генов не маскируется доминантными аллелями. Если в результате мутации возникает рецессивный ген, то его действие сказывается немедленно. Нейроспора обычно образует бесполые споры (конидии), которые прорастают и дают начало мицелию. Кусочки мицелиев, принадлежащих к двум противоположным типам скрещиваемости, могут сливаться, образуя диплоидную зиготу. Эта зигота тотчас же проходит мейотическое деление, за которым следует одно митотическое деление, и образуется сумка (аск) — плодовое тело, содержащее восемь гаплоидных аскоспор; четыре из них происходят от одного из родительских штаммов, а четыре — от другого. Каждая аскоспора, прорастая, дает начало новому мицелию. Таким образом, мицелий может происходить либо от конидии, возникшей бесполым путем, либо от аскоспоры, образовавшейся половым путем (рис. 22.18).

Рис. 22.18. Аскоспоры в сумке

Нейроспора способна расти на культуральной среде, содержащей только агар, сахара, соли и витамин биотин. Такую среду называют минимальной. Если нейроспора может расти на ней, то это означает, что она способна синтезировать все необходимые для роста углеводы, жиры, аминокислоты и витамины с помощью ферментов, вырабатываемых собственными клетками.