Предисловие

Построение детальных генетических карт традиционно рассматривалось как конечная цель генетического изучения того или иного организма. Создание коллекции мутантных линий, определение характера наследования отличающих их признаков завершалось проведением системы межлинейных скрещиваний, позволяющим получить информацию о взаимном расположении генов в хромосомах. Такие исследования были начаты в начале века на высших организмах, прежде всего на дрозофиле, и привели к составлению подробных карт для таких организмов, как человек, мышь, дрозофила, кукуруза и др.^*

^* (Захаров И. А. Генетические карты высших организмов.- Л. : Наука, 1979.- 158 с.)

В 30-е годы американский генетик К. Линдегрен опубликовал первые карты гриба аскомицета нейроспоры. С середины 40-х годов начинает интенсивно развиваться генетика микроорганизмов: в орбиту генетических исследований были вовлечены вирусы, бактерии, некоторые виды грибов. Для многих из этих организмов к настоящему времени созданы более или менее подробные генетические карты, а для бактерии кишечной палочки эта карта наиболее детальна по сравнению с картами всех других организмов. В 1964 г. для кишечной палочки было картировано 99 генов. За прошедшие 20 лет число нанесенных на карту генов возрастало с постоянной скоростью - 50 генов в год, и в настоящее время карта содержит уже 1027 генов, что составляет около 40 % всех генов, которыми может обладать кишечная палочка.

Успехи биохимии нуклеиновых кислот в 70-е годы привели к появлению нового, биохимического подхода к изучению генома, альтернативного традиционному генетическому. Стало возможным проводить секвенирование ДНК - определять последовательность оснований в молекуле. Это сделано для многих вирусов, внехромосомных генетических элементов, а также отдельных фрагментов геномов про- и эукариотов. У кишечной палочки осуществлено секвенирование около 5 % генома. Несомненно, что развитие техники секвенирования позволит уже в ближайшем будущем "прочитать" последовательность оснований всей хромосомы кишечной палочки и даже генома некоторых эукариотических микроорганизмов. Сделает ли полученная при этом информация генетические карты ненужными? Нет. Секвенирование позволяет определить наличие, число и расположение генов - отрезков в молекуле ДНК, несущих информацию о строении полипептидных молекул, но не функциональную роль этих генов, так как по результатам секвенирования нельзя сделать заключение о конкретной функции белка. Сведения же о роли в клетке продуктов генов дают именно генетические эксперименты, результаты которых в наиболее сконцентрированном виде содержатся в генетических картах.

Для чего же нужны генетические карты? Прежде всего они необходимы для планирования генетических экспериментов: наиболее рациональное проведение скрещиваний, которые при наименьших затратах труда и времени дадут необходимый результат, возможно только с учетом взаимного расположения генов, определяющего характер их совместной наследственной передачи.

Селекция высших растений, а также некоторых животных накопила ряд примеров успешного использования данных о сцеплении генов при улучшении сортов и пород. Нет сомнения, что и для селекции микроорганизмов сведения о сцеплении и локализации генов представляют значительную ценность. В последнее десятилетие резко возрос интерес к генетическому изучению промышленных микроорганизмов. Если классическими объектами генетики микроорганизмов были такие грибы, как Neurospora crassa и Aspergillus nidulans, бактерия Escherichia coli, т. е. организмы, не используемые в производстве, то сейчас большое внимание уделяется различным видам актиномицетов, многие из которых - продуценты важнейших антибиотиков, и клубеньковым бактериям, чья жизнедеятельность в условиях симбиоза с бобовыми растениями обеспечивает фиксацию и накопление в почве азота. Для многих видов этих организмов построены уже довольно подробные генетические карты, некоторые из них приводятся в настоящей работе. Размещение на таких картах генов продуктивности позволит в скрещиваниях сознательно отбирать рекомбинанты по тем или иным маркерным генам, сцепленным с генами хозяйственно важных признаков для того, чтобы обеспечить их передачу потомству в наиболее благоприятных сочетаниях.

Другой возможный метод селекции - направленный мутагенез с помощью импульсных воздействий на синхронно делящиеся клетки или споры такого мутагена, как нитрозогуанидин. Знание местоположения генов продуктивности позволит вести отбор хозяйственно ценных мутантов среди потомства тех спор, которые испытали воздействие мутагена в период, когда происходит репликация интересующих селекционера генов. При этом выход искомых мутантов должен быть намного выше, чем при обработке несинхронизированной популяции клеток.

Наконец, новые методы генной инженерии, как и более старые, классические приемы сексдукции и трансдукции, позволяют включать в состав плазмид и в геном фагов фрагменты бактериальной хромосомы для последующего переноса их в другие, даже неродственные бактерии. Знание сцепления генов хозяйственно важных признаков с легко выявляемыми маркерами позволяет отбирать фрагменты ДНК с этими генами для переноса их в соответствующие реципиентные штаммы, а также для изменения этих генов in vitro (методы такой модификации генов в настоящее время также уже разработаны). Все изложенное подтверждает, что картирование генов микроорганизмов является частью создания научных основ селекции высокопродуктивных промышленных штаммов для биотехнологических производств.

Анализ генетических карт дает ценную информацию для понимания путей эволюции геномов. Прежде всего обнаруживается большое сходство генных порядков у близких организмов (примером могут служить карты кишечной палочки и тифозной бактерии). Отсюда следует вывод: в такой группе бактерий, как кишечные, видообразование не сопровождается крупными перестройками генома. Анализ порядков генов на картах показал принципиальное различие про- и эукариотов. У первых гены, кодирующие родственные функции, часто группируются вместе; у вторых они, как правило, разбросаны по геному без видимого порядка. Наконец, можно усмотреть и некоторые внутренние закономерности расположения и распределения генов в хромосоме. Отклонения от неслучайного расположения генов отмечены для кишечной палочки.^* В той половине ее хромосомы, где находится точка начала репликации, располагается больше генов, чем в противоположной половине; около точки начала репликации группируются гены, вовлеченные в контроль транскрипции; родственные по функциям гены, как организованные, так и не организованные в опероны, часто объединяются в кластеры и др. У дрожжей-сахаромицетов гены сбраживания Сахаров располагаются на концах, в теломерных участках хромосом.

^* (Суходолец В. В. Организация генома Escherichia coli,- Генетика, 1985, 21, № 5, с. 693-706.)

Информация, которую дают исследователям генетические карты, оказывается полезной при планировании не только чисто генетических, но и молекулярно-биологических экспериментов, в частности, при клонировании генов. Очень подробные генетические карты дрожжей-сахаромицетов, построенные в результате 35-летнего настойчивого труда нескольких групп исследователей, позволили разработать принципиально новый метод клонирования генов - метод "прогулки по хромосоме". С помощью этого метода удалось клонировать как гены рибосомальных белков, так и центромеры хромосом. Последнее явилось огромным достижением в молекулярной цитологии.

Наконец, списки генов микроорганизмов, содержащие хотя бы краткую характеристику мутантных фенотипов, дают исследователю представление о том экспериментальном материале, который он может получить в свое распоряжение, обращаясь к тому или иному микроорганизму. Так, биохимик, изучающий ДНК-полимеразы, может использовать мутантные, лишенные одного из этих ферментов штаммы кишечной палочки или гриба устиляго, а исследователь, интересующийся метаболизмом серусодержащих соединений - мутанты аспергилла, не усваивающие сульфаты с различными идентифицированными ферментативными дефектами.

Все перечисленное, естественно, в неменьшей степени может быть отнесено и к высшим организмам, что делает необходимым наличие справочников, в которых были бы собраны разбросанные по разным журналам, подчас по малодоступным изданиям, сведения о сцеплении и расположении генов в хромосомах у разных организмов. Такой справочник начал с 1980 г. издаваться Колд Спринг Харбор Лабораторией (США) в виде периодического издания, выходящего раз в два года (Genetic maps / Ed. by S. J. O'Brien.- Cold Spring Harbor : Cold Spring Harbor Lab., 1984, vol. 3.- 584 p.). В этом справочнике собираются карты, списки картированных генов и подробнейшая библиография со ссылками на источники по каждому картированному гену для самых разных организмов - от вирусов до человека. Материалы подготавливаются большим коллективом специалистов. Для нашего читателя это издание малодоступно, поэтому необходимо иметь отечественный справочник по генетическим картам. Мы попытались выполнить эту задачу, обобщив данные, относящиеся к про- и эукариотическим микроорганизмам. Поскольку в нашей литературе мало специальных руководств по генетическому анализу, нам казалось целесообразным предварить справочный материал (списки картированных генов с соответствующими иллюстрациями) главами, излагающими принципы и методы генетического картирования.

В настоящей работе главы 1, 2, 6, 7 написаны И. А. Захаровым, главы 3-5, 8-10 Б. П. Мацелюхом. Первый автор подготовил справочный материал по грибам, второй - по бактериям и актиномицетам. Пользуясь случаем, приносим благодарность Т. А. Евстюхиной, С. В. Ковальцовой, В. Б. Заверухе и Р. А. Сайчук, оказавшим большую помощь в оформлении справочного материала.

Авторы надеются, что их труд будет способствовать развитию исследований по генетике микроорганизмов, работа в области которой им самим приносит глубокое удовлетворение на протяжении уже более 25 лет, а настоящее издание будет полезно также микробиологам и молекулярным биологам, от успешной деятельности которых зависит плодотворное развитие биотехнологии, обещающей многое в решении насущных задач, стоящих перед человечеством.

Список общеупотребительных символов генов