Введение (Н. И. Шапиро)

Несмотря на то, что термин общая генетика не принадлежит к числу точно определяемых, он понимается всеми достаточно однозначно. Исследования по генетике ведутся на самых разнообразных объектах, начиная с микроорганизмов и кончая человеком. Многое из того, что становится при этом известным, имеет ограниченный интерес, связанный непосредственно лишь с объектом, на котором проводится изучение. Вместе с тем накоплено и накапливается огромное количество фактических данных, на основе которых возникают и формируются общие представления о наследственной структуре организмов, о закономерностях изменчивости наследственных свойств и передачи их из поколения в поколение. Так возникает та область учения о наследственности, которую можно условно назвать общей генетикой. Чем же характеризуется современная общая генетика, что ее отличает от того состояния, в котором она находилась сравнительно недавно?

Развитие любой науки, в том числе и генетики, не осуществляется равномерно по всему ее фронту, хотя, несомненно, успехи достигнуты повсюду. Наиболее бурно развитие идет лишь на отдельных решающих участках; имению здесь открываются наиболее многообещающие перспективы. Для современного состояния общей генетики характерна прежде всего ее связь с биохимией, химией и физикой. Решающие успехи последних лет одержаны главным образом на тех участках, где генетики выступают совместно с химиками и физиками. Установление роли ДНК в наследственности, расшифровка ее строения, открытие кода наследственной информации и пути его реализации - все эти величайшие достижения последних лет, несомненно, выходят по своему значению далеко за пределы собственно генетики. Все они характеризуют новый этап - этап молекулярной биологии. Выход на молекулярный уровень стал возможен в связи с включением в круг объектов генетических исследований микроорганизмов - бактериофагов и бактерий в первую очередь. Буквально на наших глазах, в очень короткий отрезок времени, отношение к генетике микроорганизмов претерпело кардинальное изменение. От рассмотрения бактерий и бактериофагов как существ, у которых якобы отсутствовала та структурная организация наследственного материала, которая была выявлена у всех изученных в этом отношении многочисленных растительных и животных форм, ученые пришли к признанию микроорганизмов самыми удобными объектами генетических исследований. Разработанные разнообразные, подчас весьма остроумные, методические приемы дали возможность проводить интенсивное изучение закономерностей изменчивости и наследственности микроорганизмов: в частности, они позволили проводить количественно точные генетические эксперименты на огромном по численности материале и в очень короткие сроки. Это оказалось исключительно важным для анализа тонких генетических структур. При работе с микроорганизмами - относительно просто устроенными объектами - появилась возможность оперировать с достаточно большими массами генотипически однородного материала, что облегчило синтез генетического и биохимического методов. Это создало необходимые методические предпосылки для изучения закономерностей изменчивости и наследственности не только на клеточном, но и на молекулярном уровне.

Исходя из того значения, которое имеет в настоящее время изучение микроорганизмов при решении вопросов о природе наследственности, мы открываем настоящий сборник главой "Генетика бактерий". В этой главе представлены основные сведения, характеризующие закономерности наследственной изменчивости, различные формы передачи генетической информации (конъюгация, трансдукция и трансформация), а также особенности строения генетического аппарата бактерий. На примере приведенных в этой главе данных можно видеть, насколько глубоко и всесторонне изучено сейчас генетическое строение бактерий.

Рассматривая достижения генетики микроорганизмов, прежде всего необходимо остановиться на вкладе, который она внесла в центральную проблему теоретической генетики - проблему гена. Представление об элементарной единице наследственности, т. е. о гене, претерпело под влиянием микробной генетики глубочайшее изменение и получило в настоящее время четкую молекулярную основу. Имеются три источника, откуда исследователи черпали и черпают фактический материал, позволяющий судить о структурных основах наследственности: во-первых, это данные о поведении наследственных факторов в расщеплении (включая и вопросы саморепродукции); во-вторых, изучение закономерностей "спонтанного" и индуцированного различными факторами мутационного процесса; наконец, особенности действия наследственных факторов как функциональных единиц, т. е. особенности влияния каждого из них на признаки организма.

Все названные методы в изучении природы наследственной структуры организма привели к представлению о существовании универсальной структурной единицы наследственности - гена. Материально ген мыслился как участок хромосомы. Такое чисто морфологическое представление о гене было вполне обоснованно и понятно, поскольку исторически из всех биологических наук генетика была наиболее тесно связана именно с цитологией. Таким образом, в этот период развития генетики ген представлялся элементарной, далее неделимой единицей наследственности, которая выступала как целое в процессе рекомбинаций, мутирования и действия на признак. Интересно, что первым, положившим начало ревизии подобного представления о гене, был советский ученый А. С. Серебровский. Им и его школой еще в конце 20-х и начале 30-х годов при работе с дрозофилой были получены результаты, указывающие на сложное строение гена, которое удалось расшифровать лишь с развитием микробиологической генетик". Было установлено, что исследователи имели дело с различными элементарными единицами наследственности в зависимости от того, какую сторону деятельности генома они изучали. Так, согласно принятой терминологии, при изучении закономерностей рекомбинаций элементарной структурой является рекон, при изучении закономерностей мутагенеза минимальной, далее неделимой единицей будет мутон, и, наконец, при изучении наследственных факторов в их действии на признак такая единица носит название цистрона. Каждая из этих трех элементарных структур по своему строению не равнозначна другой. Пожалуй, самыми замечательными достижениями в области познания тонкой структуры наследственной организации являются не только доказательства наличия трех видов единиц наследственности, но и установление их физико-химической, молекулярной природы. Этой проблеме и посвящена вторая глава сборника - "Тонкая структура гена".

Особое место в современной генетике занимают вопросы изменчивости наследственных структур клетки. Раньше закономерности мутационного процесса подвергались лишь формально-статистическому анализу, что ярко проявилось в радиационной генетике при изучении мутационного процесса, индуцированного различного вида ионизирующими излучениями. На основе этого изучения была создана так называемая теория мишени, получившая широкое распространение и позволившая рассматривать мутацию гена как мономолекулярную реакцию. Но, несмотря на большие успехи, сопутствовавшие математическому анализу количественных закономерностей мутационного процесса, уже с самого начала была ясна ограниченность такого подхода. Было очевидно, что таким образом нельзя выяснить конкретные физико-химические и биохимические реакции, лежащие в основе мутагенеза. Только переход к изучению химических мутагенов и, что еще более важно, к изучению мутагенеза у микроорганизмов, позволил приступить к анализу этой проблемы на молекулярном уровне. В относительно короткие сроки здесь были достигнуты большие успехи, которым особенно содействовали эксперименты, где объектом исследования явился вирус табачной мозаики, а мутагеном - азотистая кислота. В этом случае в опытах in vitro удалось установить, что химическое дезаминирование даже отдельного азотистого основания в молекуле нуклеиновой кислоты может изменить генетические свойства вируса, т. е. обусловить появление мутации.

В настоящее время мы являемся свидетелями того, как "химизация" проникает и в анализ мутагенеза у высших организмов, захватывая не только генный, но и хромосомный уровень. Несомненно, что знание молекулярных основ мутационного процесса имеет отнюдь не только познавательный интерес; успехи в этой области - прежде всего успехи на пути направленного получения заранее заданных наследственных изменений, практическая важность которых не требует особых комментариев. Вопросы природы мутационного процесса на молекулярном и клеточном уровне освещены в главе "Химический мутагенез".

До сих пор, говоря о значении микробиологической генетики для общей теории наследственности, мы прежде всего имели в виду те фактические данные и основанные на них представления, которые непосредственно вытекали из изучения самих фагов и бактерий. Однако влияние генетики микробов на другие разделы учения о наследственности этим не ограничилось. Так, микробиологическая генетика оказала очень большое влияние на генетику млекопитающих в совсем ином плане. В значительной мере под ее влиянием в последние годы создана новая перспективная область - генетика соматических клеток млекопитающих. Оказалось принципиально возможным, используя ряд методик, сходных с микробиологическими, проводить генетический анализ потомства столь высокоорганизованных клеток, как соматические клетки млекопитающих, включая и человека. Прежде всего была разработана методика клонирования клеток млекопитающих in vitro, позволившая исследователям получать потомство отдельно взятой клетки. Но для проведения генетического анализа недостаточно получить потомство от отдельных, изолированных клеток. Передача генетической информации от одной клетки к другой - второе необходимое условие для генетического изучения любого объекта. Больше того, важно, чтобы в потомстве полученных гибридных клеток могло происходить расщепление. Другими словами, необходимо, чтобы в гибридной клетке происходил процесс рекомбинации наследственных факторов, в результате которого получаемое от клетки потомство стало бы гетерогенным, т. е. появились бы рекомбинанты. Все перечисленные условия оказались выполнимыми в соматических клетках млекопитающих. Так, в эксперименте была показана возможность передачи генетической информации от одной клетки к другой. Прежде всего удалось установить, что информация может быть передана, так же как и у микроорганизмов, путем трансформации. Обработка одного вида клеток ДНК, выделенной из клеток другого вида, приводила к соответствующему изменению клеток реципиента. Но не только путем трансформации оказалось возможным передавать информацию в соматических клетках. В настоящее время установлена и "гибридизация" этого вида клеток. Тщательно проведенные в некоторых лабораториях исследования показали, что in vitro в культурах имеет место слияние соматических клеток, в результате, которого образуются настоящие гибридные клетки, содержащие в своих ядрах хромосомные наборы исходных родительских клеток.

Наконец, в соматических клетках млекопитающих имеется как бы специальный механизм, способный обеспечить процесс рекомбинации наследственных факторов. Таким механизмом является соматический кроссинговер. Явление соматического перекреста впервые было открыто и подробно изучено у дрозофилы. Позже соматический перекрест использовался для картирования генов у некоторых микроорганизмов. Такая возможность, несомненно, существует и для соматических клеток млекопитающих, но ее только еще начинают пытаться использовать.

Мы остановились на клеточной генетике несколько более подробно потому, что она еще не привлекла к себе должного внимания. Вместе с тем перспективность этого направления велика. Так, изучение генетики соматических клеток обещает много интересного с точки зрения познания регуляторных механизмов и связанных с ними закономерностей дифференцировки. Имеются все основания считать, что наряду с теми механизмами регуляции, которые найдены у бактерий, клетки млекопитающих, в том числе человека, могут обладать и другими, ныне еще неизвестными. Несомненно также и то, что изучение закономерностей клеточной дифференцировки может быть проведено лишь на клетках, обладающих ею, т. е. на клетках высших организмов, а не микроорганизмов. Во многих отношениях очень существенно изучение закономерностей мутационного процесса в клетках млекопитающих. В частности, последнее особо важно для понимания природы малигнизации клеток, т. е. наследственно обусловленного превращения нормальной клетки в опухолевую. Все перечисленные выше вопросы большой теоретической и практической важности при дальнейшем развитии генетики соматических клеток могут стать и станут объектом прямой атаки в эксперименте.

В главе "Генетика соматических клеток млекопитающих и человека in vitro" освещено фактическое состояние этой проблемы в настоящее время.

Установление закономерностей действия генов на признаки - это, пожалуй, одна из наиболее сложных задач генетики. Проблема взаимоотношения гена и признака была в свое время выделена в особый раздел науки, получивший название феногенетики. Этой проблеме посвящено большое число исследований, проведенных на самых различных объектах. Длительный период времени действие генов изучалось лишь на уровне организма. Здесь особое внимание уделялось выявлению роли внешних условий в становлении фенотипа, а также различным формам взаимодействия генов при осуществлении признаков. Но уже давно была осознана необходимость развивать биохимические методы на клеточном и субклеточном уровнях для более углубленного анализа вопросов феногенетики. Работы такого рода успешно начали проводиться и на многоклеточных организмах. Так, ценные данные были получены при изучении действия генов, определяющих окраску глаз у дрозофилы, окраску цветков у некоторых видов растений, и во многих других исследованиях. Во всех этих случаях был расшифрован в биохимических терминах значительный отрезок пути от гена к признаку. Но наибольшее развитие феногенетика получила, как и многие другие разделы генетики, при переходе к микробиологическим объектам исследования. Изучение низших грибов, среди которых прежде всего должна быть отмечена нейроспора, а также бактерий и фагов обогатило наши представления о действии генов не только на клеточном, но уже и на молекулярном уровне. Для иллюстрации сказанного достаточно еще раз напомнить об успехах в расшифровке путей реализации наследственного кода ДНК, в познании механизма генетического контроля регуляции белкового синтеза и выявлении в бактериальной клетке взаимосвязанно действующей системы структурных генов, генов-регуляторов и репрессоров. Наконец, важное значение имеет обобщение, сделанное на основе большого фактического материала, показавшего, что каждый ген контролирует синтез лишь одного фермента - обобщение, получившее выразительную формулировку: "один ген - один фермент".

Но, несмотря на несомненные успехи в познании закономерностей становления наследственных признаков организма, предстоит пройти еще длинный путь до того, как успехи в названной области станут достаточно ощутимыми. В этой связи укажем, что точно так же, как изучение закономерностей действия гена на признак не может быть ограничено уровнем организма, оно не может сводиться и лишь к молекулярному или клеточному уровням. Более того, и это необходимо особо подчеркнуть, для успешного изучения взаимоотношения гена и признака требуются усилия помимо генетики еще и других биологических дисциплин и в первую очередь эмбриологии.

В настоящее время эта комплексная проблема действия генома на фенотип усиленно разрабатывается, о ней будет сказано в главе "Ген и признак".

Мы считаем, что сборник в целом достаточно полно отображает современное состояние ряда основных общегенетических проблем. Известное тематическое разнообразие сборника целиком определяется широтой круга вопросов, входящих в состав общей генетики.

Вместе с тем в подходе к изучаемым вопросам есть нечто общее, несомненно характерное для генетики сегодняшнего дня. Это общее заключается в том, что рассматриваемые представления, каких бы разнообразных вопросов они ни касались, развиваются на основе открытий, сделанных в микробиологической генетике. В одних случаях это прямой вклад данных, полученных при изучении наследственности бактерий и фагов, в общегенетические представления, в других - это сходство с микробиологической генетикой в методических подходах к изучаемым явлениям, в третьих - попытка определить на более высоких уровнях организации существование регуляторных механизмов, аналогичных тем, которые были обнаружены у бактерий, и, наконец, во многих случаях - это установление максимально возможного контакта с химией и физикой, контакта, полностью оправдавшего себя и принесшего столь выдающиеся успехи в области генетики микроорганизмов.