22.5.1. Гены и ферменты [1990 Грин Н., Стаут У., Тейлор Д.

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:

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.

Эксперименты Бидла и Татума состояли в следующем.

1. Конидии подвергали рентгеновскому облучению, чтобы повысить частоту мутаций.

2. Облученные конидии переносили на полную среду (содержащую все аминокислоты и витамины, необходимые для нормального роста) и выращивали на ней.

3. Образовавшиеся мицелии скрещивали с мицелиями, развившимися из конидий, не подвергнутых рентгеновскому облучению ("дикий тип").

4. Образующиеся аски содержали по четыре аскоспоры от каждого из родительских штаммов (мутантного и дикого типа).

5. Аскоспоры извлекали из асков и выращивали по отдельности на полной питательной среде.

6. Пробы мицелиев помещали на обогащенную витаминами минимальную среду. В некоторых случаях роста не наблюдалось.

7. Штаммы, которые не росли, не были способны синтезировать некоторые аминокислоты. Для того чтобы определить, какие это были аминокислоты, эти штаммы переносили на ряд минимальных сред, к каждой из которых добавлялась какая-либо одна аминокислота.

8. Если данный штамм рос на определенной среде, то, следовательно, эта среда содержала ту аминокислоту, которую данный штамм синтезировать не способен. Таким образом были идентифицйрованы мутантные штаммы нейроспоры. Анализ полученных результатов показал, что во всех случаях, в которых половина аскоспор из данного аска давала мутантный штамм, другая половина была способна расти на минимальной среде.

Эти результаты указывали на то, что мутантный ген ведет себя как единичный рецессивный ген и наследуется в соответствии с законами Менделя. Бидл и Татум пришли к выводу, что в каждом случае рентгеновские лучи вызывали мутацию одного гена, контролирующего синтез одного фермента, необходимого для синтеза одной аминокислоты. Это легло в основу их гипотезы "один ген - один фермент" (рис. 22.19).

Рис. 22.19. Схема, иллюстрирующая главные этапы в идентификации мутантных аллелей, которые контролируют синтез ферментов, участвующих в образовании аминокислот. Подробности см. в тексте (цифры на схеме соответствуют цифрам в тексте)

В этих ранних исследованиях был разработан экспериментальный метод с использованием минимальных сред, применяемый в генетике микроорганизмов во многих модификациях и давший огромное количество информации о роли генов.

В настоящее время твердо установлено, что гены контролируют происходящие в клетке процессы путем синтеза ферментов и других белков. Эти ферменты в свою очередь определяют синтез всех прочих веществ клетки.

С течением времени, однако, определение гена было видоизменено. Работы по строению генов бактериофага Т₄, проведенные Бензером в 1955 г., привели к созданию концепции цистрона как единицы функции. Цистрон - это участок ДНК, несущий информацию, необходимую для синтеза одной полипептидной цепи; такая цепь может функционировать самостоятельно как биологически активная белковая молекула или становится частью более крупной макромолекулы. В настоящее время концепцию "один ген - один фермент" сменила концепция "один цистрон один полипептид".