Подводные камни

На пути первых картографов хромосом растений и животных встречалось немало трудностей. И одна из них - получение аллельных генов.

Аллели появляются на свет в результате мутаций, а мутации - это изменения наследственных признаков, которые возникают под воздействием факторов, травмирующих наследственное вещество клетки.

Мутации почти всегда вредны для организма и, как правило, рецессивны. Ведь мутация-это следствие удара (пусть невидимого) по наследственному веществу, а ударяя по какой-либо системе, вряд ли можно всерьез рассчитывать на улучшение ее работы. Только резкие изменения внешней среды и условий жизни делают мутацию полезной. Например, при пересадке пшеницы из влажной в засушливую зону очень кстати оказывается мутация, сообщившая культуре засухоустойчивость. Естественный отбор выделит этот новый признак и закрепит его в потомстве. Постепенно мутация станет нормой. Так появляется новый сорт растения. Но при отсутствии изменений среды мутации обычно неблагоприятны и рецессивны.

Получение и изучение мутаций стало базой для составления карт хромосом. Но среди высших организмов самопроизвольная мутация-редкость чрезвычайная. Известные случаи можно перечислить по пальцам. Между прочим, как полагают, одна такая мутация произошла у английской королевы Виктории (1819-1901 гг.): хотя среди ее предков не было случаев гемофилии, болезни несвертываемости крови, потомки ее унаследовали фактор, ведущий к этому заболеванию (гемофилия передается только по женской линии).

Разумеется, об экспериментах на королевах, да и вообще на людях не может быть и речи. Генетика всегда имела дело с растениями, плодовыми мушками и домашними животными. Но даже здесь обнаружить мутацию непросто, искать ее иногда приходилось годами. Уже знакомый нам Мюнтцинг за тридцать лет всего два раза встретил самопроизвольные мутации в чистых линиях одного из сорняков. И это не единственный пример.

Положение улучшилось, когда исследователи научились вызывать мутации искусственно. Оказалось, что облучение плодовой мушки рентгеновыми лучами позволяет увеличить частоту мутаций в десятки и даже в тысячи раз. Так заявил ученый Меллер на Международном генетическом конгрессе в Берлине в 1927 году. Это открытие послужило новой ступенькой, став на которую, генетика получила метод, раздвинувший рамки ее возможностей.

Искусственно вызванные мутации назвали индуцированными, в противоположность самопроизвольно возникающим в природе, спонтанным мутациям.

Но индуцированные мутации не убрали всех препятствии с дороги ученых. Ведь даже если в одном из генов произошла мутация, можно и не узнать о ней. Взять, к примеру, ту же дрозофилу. У нормальной мушки глаза красные, как два огонька. Представим себе, что ген, командующий цветом глаз, мутировал и не способен больше давать окраску. Об этой метаморфозе можно узнать по появлению в потомстве белоглазых мушек. Но можно и не узнать. В этом-то и состоит вся мудрость природы, снабдившей живую клетку двойным набором хромосом.

Сначала все будет так, как надо. В половых клетках дрозофилы окажется хромосома с геном белоглазости. Но вот после оплодотворения она объединится с нормальной хромосомой, и из клетки разовьются нормальные мушки, несмотря на то, что одна из хромосом - с "белоглазым" геном. Дело в том, что неизмененные гены обычно доминируют над мутировавшими. А так как в клетке каждый ген представлен дважды, то неизмененный ген будет доминировать, может быть, даже в нескольких поколениях, пока не встретятся при оплодотворении хромосомы с двумя мутантными генами. Вот тогда-то и увидит исследователь белоглазую мушку! Если, конечно, обладает достаточной выдержкой и умеет ждать.

Таким образом, доминантный ген - очень нежелательный тормоз в исследованиях. Но можно ли избавиться от него? Ведь все высшие животные и растения диплоидны и их клетки содержат двойной набор хромосом. А может быть, на Земле есть гаплоидные организмы? Этого никто не знал...

Ждать приходилось десятилетиями еще и потому, что для получения первого поколения гибридов у животных и растений нужны годы. О людях даже и говорить нечего. От рождения Христа человека отделяет всего несколько десятков предков одной линии. Опыты с дрозофилой расширили возможности генетиков, но только отчасти. В этих опытах поколение мушек сменялось на протяжении нескольких недель, и ученый мог учесть не более 100-1000 мушек. В поисках существ, которые размножались бы скорее дрозофилы, исследователи вспомнили об одноклеточных - грибках, бактериях, вирусах. Всего 20-30 минут нужно кишечной палочке, чтобы созреть, разделиться надвое и дочерним клеткам начать новый цикл жизни. За сутки в пробирке, где размножается эта обитательница мира невидимых, сменяется около сотни поколений, в руки ученых попадают миллиарды ее внуков, правнуков и пра... пра... правнуков. Но можно ли изучать наследственность у этих примитивных существ? Есть ли у них гены? Удастся ли найти мутации? Существует ли у них ядро и половая дифференциация? Десятки вопросов, перемноженных друг на друга, и все - без ответа... Однако дело было не только в недостаточной скорости исследований.

Генетики знали, что различия в некоторых признаках наследуются, а передача их подчиняется законам Менделя, материально признаки эти связаны с некими физическими единицами - генами, которые находятся в хромосоме, отчего она подобна бусам, нанизанным на нитку. Знали и то, что ген может меняться в результате мутации, а это ведет к изменению связанного с ним признака. Итак, ген распознается по способности наследоваться, мутировать и функционировать.

Но какова его роль с химической точки зрения? Можно ли определить границы гена? Имеет ли он отношение к биосинтезу белка - важнейшего вещества жизни? На эти вопросы искала ответа генетика, а у высших животных и растений ученые могли уловить только косвенные проявления деятельности гена.

Вот, например, карта хромосом кукурузы: скрученные листья, бесплодные стебли, отсутствие шелка, зебровидная полосатость, коричневая жилка... А вот карта дрозофилы: цвет глаз, длина крыльев, плодовитость самца... Это все - показатели деятельности гена, вернее, многих генов, многократно переработанные организмом. Но для исследователей, стремящихся узнать химическую природу гена, эти карты так же не годятся, как для топографов одного района - карта земных полушарий.

Ученые понимали: работа генов проходит на уровне молекул. Молекула... и длина крыльев дрозофилы. Какой чудовищный разрыв! И не удивительно, что растения и животные не удовлетворяли тех генетиков, которые мечтали найти на хромосомах гены, ответственные за такие признаки, как выработка определенных белков.

Почему же именно белков?.. Биологи давно знали, что единство и многообразие живой материи связано прежде всего с многообразием белков. Белки - вещества особого порядка. Ни один из процессов синтеза иди разложения вещества в клетке не обходится без их участия.

Белки - прежде всего ферменты. Молекула каждого из них - очень большая и сложно устроенная. Это могучие катализаторы жизненных функций, орудия синтеза живой материи. Их название означает "закваска". Оно появилось потому, что впервые ферменты обнаружили при сбраживании сахара. Каждый фермент неповторимо своеобразен и предназначен, как правило, для контроля и активации только одной-единственной реакции. Его дело "передвигать" атомы вещества. Роль фермента в организме можно уподобить невидимым рукам, которые умело расставляют все по местам, в единственно нужном порядке.

Но выполнять роль катализаторов - только одна из обязанностей белков. Кроме ферментов, есть структурные белки. Вместе с жирами и углеводами они составляют блоки, из которых клетка строит ядро, оболочку, митохондрии.

Белки - это молекулы движения. Ведь все движение на Земле, от сокращений упругих мышц боксера до невидимых вибраций жгутиков бактерий, есть плод механической работы особых сократительных белков.

Белок - гемоглобин. Это молекула-"легкое", которая связывает кислород воздуха и переносит его из легких в ткани. Из тканей гемоглобин несет обратно продукт дыхания - углекислоту.

В мире микробов белки выполняют еще и защитные функции: все вирусы одеты в белковую оболочку. Впрочем, роль защитников жизни ложится на белки и в теле животных. Но здесь она иная...

В теле животных и человека в ответ на введение ядовитого белка, например, вырабатываемого бактериями, возникают белки-защитники. Эти особые антиструктуры называются антителами. Они связывают, растворяют, осаждают ядовитых пришельцев, зачастую спасая организм от гибели.

Но самое удивительное в том, что каждый вид животных и растений имеет качественно своеобразное строение белка. И в этом-то своеобразии белков находит свое выражение наследственность организма. Вот почему идея связи синтеза белков с генами всегда была одной из стержневых в генетике.

Эта идея зародилась еще в начале двадцатого века. В 1908 году англичанин Арчибальд Гэррод обратил внимание на то, что в редких случаях у больных людей с мочей выделяется необычное вещество-гомогентизиновая кислота, из которой образуется темный пигмент. Эта аномалия, так называемая алкаптонурия, передавалась по наследству, хотя и не всем потомкам. Но вот что изумило ученого: он ввел эту кислоту здоровому человеку, и она исчезла, разрушилась.

Позднее Гросс подтвердил его наблюдения. Это могло означать только одно: у здоровых людей есть ферменты, разрушающие кислоту, а значит, и ген, контролирующий их синтез. Иначе как бы эта болезнь могла передаваться по наследству?

Очень интересны в этом смысле эксперименты американских генетиков Бидла и Эфрусси. Они с удивительным мастерством извлекали глазные диски личинок известной нам дрозофилы и вживляли их в... брюшко личинок других дрозофил. Зачем? Вспомним, что у нормальной мушки красные глаза. Это связано с присутствием коричневого пигмента, который создается с помощью особого фермента. Значит, если дрозофила-альбинос, у нее нет нужного фермента. А если пересадить глазные диски личинки дрозофилы-альбиноса в тело нормальной личинки? Именно это и проделывали Эфрусси и Бидл в своей лаборатории. День, когда белые глазные диски на новой "квартире" стали коричнево-красными, был очень важным в жизни ученых. Ведь покраснение диска означало, что в теле нормальной личинки дрозофилы содержится пигмент, способный окрасить глаз мутантной дрозофилы в нормальный цвет. А раз есть пигмент, то есть и фермент, его синтезирующий.

Значение этого открытия для науки чрезвычайно велико - впервые с достоверностью была доказана прямая связь между геном и синтезом белка.

Стало ясно, что гены каким-то пока таинственным образом управляют синтезом ферментов - белков. Но стало ясно и другое: генетика не сделает дальше ни шагу, если не найдет новый объект для изучения связи генов и ферментов. Наука о наследственности высших организмов имела дело почти всегда с готовой продукцией, в этом-то и была ее слабость.

Но есть ли такие существа, у которых работу гена можно уловить по появлению или отсутствию какого-либо фермента? И опять мысль исследователей обратилась к одноклеточным организмам. В самом деле, ведь они отличаются чрезвычайной самостоятельностью и сами вырабатывают для себя все необходимые ферменты, многие из которых выделяются во внешнюю среду. С ней микроскопическое существо живет в исключительно тесной связи. И наконец, самое главное: все жизненные процессы одноклеточных организмов протекают на уровне клетки, а значит, работа генов (если они, конечно, у них есть!) не претерпевает многократную метаморфозу, как в высших организмах Только на одноклеточных можно надеяться уловить проявление деятельности гена на уровне молекул.

А если попробовать?

Этот робкий вопрос стал первым шагом "генетики в мир невидимых существ и первым шагом в мир молекул. Но рассказу о нем справедливо будет посвятить особую гладу.