Один ген - один фермент

Это произошло в 1941 году. "Первым генетиком" оказался грибок с романтическим названием - нейроспора. Правда, красиво звучит? Больше того, нейроспора и на вид очень привлекательна. Поместите мицелий грибка под сильную лупу и любуйтесь: тонкое прозрачное кружево... Можно часами рассматривать выросший в пробирке грибок, восхищаясь совершенным созданием природы. Только американские генетики Бидл и Татум смотрели на него как исследователи, а не как домашние натурфилософы. Ученые в тонкостях узнали строение грибка, чтобы заставить его работать на генетику. И вот что радовало. Нейроспора - гаплоидный организм. У нее всего 7 хромосом, и в обычной жизни в мицелии грибка нет клеток с двойным набором. Это значит, что если у грибка возникнет мутантный ген, то следствия этого проявятся очень скоро - ведь второго-то гена, доминантного, у нейроспоры нет!

Но это еще не все. У нейроспоры можно обнаружить... половую стадию развития. В какой-то момент жизни в мицелии грибка появляются особые, "женские" клетки. Они, подобно всем клеткам мицелия, гаплоидны, но в отличие от них способны сливаться с любой другой клеткой, которая таким образом играет роль "мужской". Так возникает диплоидная клетка с двойным набором хромосом. Их теперь - 14.

Поначалу ядра у такой клетки не сливаются, и она несколько раз делится митотически, образуя в мицелии островок диплоидных клеток. Кстати, может быть, этот островок и есть "черновой вариант" природы при создании многоклеточного диплоидного организма животных и растений?

Но вот в одной из диплоидных клеток ядра сливаются. При этом в ядре происходит процесс кроссинговера и редукционное деление. Словом, клетка совершает два деления мейоза, после чего образуются четыре гаплоидные клетки. Они располагаются в оболочке точно в ряд, как солдаты в строю. Затем каждая клетка делится митотически еще раз, и на этом дело заканчивается. В итоге образуется 8 клеток (их называют аскоспоры), которые одеваются оболочкой.

А теперь представим себе, что с одним из генов материнской клетки случилась "беда" - он стал мутантным. После кроссинговера, который произойдет вслед за слиянием ядер, разовьются две гибридные клетки, и в одну из них попадет мутантный ген. Такая клетка тоже даст потомство-четыре аскоспоры. В сумке будут два генетически различных типа аскоспор. Как же узнать, есть ли среди них мутантные? Именно этим занимались Бидл и Татум. Они научились выбирать аскоспоры из сумки и сажать их по одной на питательную среду. Из каждой аскоспоры после целого цикла митотических делений вырастает мицелий - прямой ее потомок. Если сравнить свойства мицелиев от различных аскоспор, можно выделить среди них мутантные и нормальные.

Здесь надо сказать еще об одном чудесном качестве нейроспоры.

Она - крайне неприхотлива и прекрасно растет на бедной питательными веществами, так называемой "минимальной", или "голодной" среде (несколько неорганических солей, глюкоза, нитрат аммония и витамин биотин). Из этих продуктов нормальный грибок синтезирует все нужные ему аминокислоты, белки, углеводы и витамины, кроме биотина.

Но вот по одному из генов ученые "ударили" ультрафиолетовыми или рентгеновыми лучами, и он стал мутантным. Если с ним была связана способность синтезировать какую-либо жизненно важную аминокислоту, это незамедлительно обнаружится: некоторые аскоспоры - потомки женской клетки перестанут расти на голодной среде. И не надо ждать сотен поколений грибка. Ведь второго-то гена, компенсирующего нарушенную функцию, у аскоспоры нет: ее потомство, как мы уже говорили, гаплоидно, то есть содержит только один набор хромосом.

Осталось узнать, какая именно жизненно необходимая функция поражена. Бидл и Татум решили добавлять к голодной среде разные аминокислоты, витамины, соли и т. д. поочередно и сажать туда целые стада аскоспор. Наконец-то! Одна из аскоспор проросла на голодной среде с аргинином, другая - на среде с триптофаном. Значит, первая не росла потому, что была не в состоянии создать ни единой молекулы аргинина, вторая - триптофана. Причина только одна - на хромосоме аскоспоры поражен ген, "заведующий" синтезом триптофана. Примерно таким путем Бидл и Татум нашли 380 мутантов (!), которые несли мутацию в 100 отдельных генах, контролирующих жизненно важные биохимические реакции.

И вот что любопытно. Для каждого гена удалось найти по нескольку мутантов. Так, на ген, ответственный за синтез триптофана, пришлось 30 мутантов. А все ли они одинаковы? У всех ли способность синтезировать триптофан нарушена в одном месте гена? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые скрестили друг с другом все 30 мутантов.

В этих опытах мутанты распределились на две группы. Мутанты первой группы взаимно дополняли мутантов второй группы при кроссинговере. В результате среди аскоспор находили рекомбинантов "дикого"^* типа, синтезирующих триптофан. Это значит, что в синтезе триптофана должны принимать участие два гена: у мутантов первой группы поражен один ген, у мутантов второй группы - другой. Но что контролируют эти гены?

^* (Так называют тип, не измененный мутациями, наиболее часто встречающийся в естественных условиях.)

Мутанты обеих групп росли, если вместо триптофана добавляли серии и индол, при этом в среде появлялся триптофан. Значит, все мутанты могли превращать индол и серии в триптофан. Отсюда вывод: индол и серии - предшественники триптофана в цепи его биосинтеза в живой клетке.

Это предположение подтвердилось, когда обнаружили мутант, у которого была блокирована именно эта функция. Он не вырабатывал фермента триптофансинтетазы, который есть у дикой нейроспоры.

Мутанты первой группы были также способны синтезировать вещество, стимулировавшее рост мутантов второй группы. Этим веществом оказалась антраниловая кислота, которая, видимо, выполняет функцию предшественника индола. Значит, у мутантов первой группы нарушена реакция превращения антраниловой кислоты в индол, а мутанты второй группы не могут синтезировать антраниловую кислоту, но способны превратить ее в индол.

На основании этих данных был открыт способ синтеза триптофана в живых клетках: антраниловая кислота превращается в индол. Индол соединяется с серином и под влиянием фермента триптофансинтетазы превращается в триптофан. В синтезе триптофана участвует не менее трех генов, каждый из них отвечает за выработку ферментов. Эти гены можно картировать на хромосоме нейроспоры в реакциях скрещивания.

Так в 1941 году впервые в истории естествознания ученые нашли на хромосоме гены, ответственные за синтез белков - ферментов. Бидл и Татум сформулировали выводы своих исследований так: "Один ген - один фермент". Предполагается, что гены клетки контролируют синтез всех ее ферментов, катализирующих реакции обмена, причем каждый ген контролирует только один фермент.

Если вдуматься, можно себе представить, что рамки этой гипотезы гораздо шире, чем следует из ее названия. В самом деле. Мы знаем, что все ферменты - белки. Но ведь, кроме ферментов, в организме есть белки-неферменты. Это гемоглобин, антитела и другие. Где заложена информация для их синтеза? Тоже в хромосомных генах. Вот почему гипотеза "Один ген - один фермент" теперь звучит так: "Один ген - один белок", или даже: "Один ген - одна гюлипептидная цепь".

До 1941 года генетика и биохимия были обособленными науками, и каждая в силу своих возможностей пыталась найти ключ к тайнам жизни: генетики открыли гены, биохимики- ферменты. Опыты американских ученых Бидла, Татума и Бреннера связали воедино эти две единицы жизни и положили начало содружеству генетики и биохимии, а вместе с тем и такому прогрессу знаний, равного которому не было во всей истории биологии. Ген предстал как конкретная единица, контролирующая синтез конкретного белка. Это был качественно новый уровень исследований.

Опыты с нейроспорой окрылили ученых, но все-таки еще требовали ответа вопросы: что такое ген? Из какого вещества он построен? Как он регулирует синтез белка?

Генетика разгадала эти ребусы природы только после того, как стала вести поиск в царстве бактерий. Но прежде чем начать рассказ о новых героях генетических экспериментов, надо, наконец, поближе познакомиться с ними.