Айала, Кайгер - Современная генетика - т.2 (Айала, Кайгер - Современная генетика - 1988)

Айала Ф., Кайгер Дж. А37 Современная генетика: В 3-8 т. Т. 2. Пер. с англ.— М.: Мир, 1988.— 368 с., ил 18В)к) 5-03-000495 — 5 У ебнас нэлеппе па е вгике, яепнсеннае нзвсстнммн вмернкенскпмн ученымн не уро не современньп требакенвй. Па пгором томе рвссматрснм проблемм экспрссснн генстнческого зев гернелд (генетпческ й «агс регулммя знмржснн генов, е е и ь самвтнческ *т о у Для генегнкон мокекулярньп аналогов, эвалюпноннс ав, е также влв студентов бналвг нчсскнк и медннннскнк вузов.

ББК 28.04 Редакйия литературы по биологии ББК 28.04 А37 УДК 575 ЮогоИЮ00-884 А — поппиеиое 041 101)- 88 1ЯВ)к) 5-03-000495 — 5 (русск.) 1ЯВХ 0 — 8053-0316-2 (англ.) © г984апб!980Ьутйевеп)агпгпуСшппппяз РПЫЫппк Сатрапу зпс © перевал иа русский азык, «Мир», 1988 Генетические функции Преформация и эпигенез Известно, что генетичесхий материал клетки (ДНК) обладает способностью к самовоспроизведению (репликацни). Более того, именно в ДНК живых организмов захлючена информация об особенностях их строения и жизнедеятельности. Вторая часть этой книги посвящена в основном проблемам, связанным с процессами реализации генетической информации. Каким образом ничтожные количества вещества, содержащиеся в человеческой знготе, управляют процессами превращения единичной зародышевой клетки в целый организм? В рамках этого процесса можно выделить два различных уровня превращений.

Это, во-первых, клелючная лролиферация нли рост — из одной зародышевой клетки уже к моменту рождения образуется около одного триллиона (!01з), а зрелый организм содержит до 20 триллионов клеток. И во-вторых-клелючная дифференцировха. Как мы знаем, клеткам, формирующим различные части тела — руки, ноги, глаза, печень, почки и т, д.,— присуще весьма значительное структурное и функциональное разнообразие. Проблема пролиферации клеток решается, по всей видимости, просто за счет многократного клеточного деления. Однако при этом остается непонятным, каким образом единичная клетка может одновременно порождать различные типы дочерних клеток; каким образом процесс клеточного деления может приводить к тому, что из одной и той же зиготы образуются и нервные клетки, н мышечные клетки, и костные клетки.

Возникшая в ХУП1 в. теория лреформиэма предложила наиболее радикальное решение проблемы, сводившееся попросту к отказу от представлений о существовании какой-либо дифференцировки. В конце Экспрессия гепетического материала Рис. 1О.1. Гомункулусы, которых, по утверждениям преформястов, можно увидеть в сперматозоидах человека. (С гравюр ХЧ1П в.) ХЧН в. естествоиспытатели, оснащенные слабым микроскопом и богатым воображением, готовы были поклясться, что своими глазами видели гомункулуса-миниатюрную человеческую фигурку, заключенную внутри сперматозоида.

Голландский натуралист Ян Сваммердам (впервые обнаруживший существование яиц насекомых, а также эрнтроцитов) и швейцарский ученый Шарль Бонне на базе этого лжеоткрытня, «подтвержденного» и некоторыми другими учеными, склонными выдавать желаемое за действительное, развили теорию, основанную на представлении о преформации. Некоторые приверженцы этой теории считали, что уже в сперматозоидах находятся полностью сформированные человеческие тела и внутриутробное развитие сводится просто к росту гомункулуса до обычных к моменту рождения размеров (рис.

10.1). К этому сводились представления «сперматистов» (нли анималькулистов). С точки зрения «свистов», гомункулусы заключены скорее не в сперматозоидах, а в яйцеклетках. Так, Бонне утверждал, что в личинках любой женщины содержатся заранее сформированные зародыши всех ее потомков во всех последующих поколениях. Развитие подобных концепций приводит к довольно забавным выводам. Например, следует полагать, что в яйцеклетках Евы (или сперматозоидах Адама — как кому больше нравится) уже содержались зародыши всех грядущих поколений, упакованные по принципу китайской игрушки «коробочка в коробочке». Кстати, как вы думаете, какая именно из двух ваших бабушек носила ваш предварительно сформированный н ждущий своего часа зародыш? Вместо теории преформизма Каспар Фридрих Вольф в ХЧН1 в.

н Карл Бэр в Х1Х в. развили теорию эпигепеза. Согласно этой теории, половые клетки представляют собой в основном гомогенные сгустки органического вещества и не содержат ничего такого, что по виду напоминало бы тот организм„хоторый из ннх образуется. Развитие зародыша обусловлено как собственно ростом, так и дифференцировкой. В результате серии радикальных трансформаций из зиготы постепенно формируются различные ткани н органы. К.

Бару принадлежит детальное описание поэтапного развития куриного эмбриона как строго упо- 1О. Генетические функиии рядоченного процесса последовательных изменений от яйца к зародышу и далее вплоть до образования зрелой особи. Сегодня мы знаем, что теории зпигенеза во многих отношениях более корректна, чем взгляды преформистов. Зигота действительно не содержит никакого предварительно сформированного зародыша. От родителей потомству достается не что иное, как ряд «указаний» в виде заключенной в ДНК генетической информации, которая во взаимодействии с окружением направляет ход развития организма.

Само это развитие в определенном смысле напоминает процесс постройки некоего небоскреба в соответствии с архитектурным проектом. Едва ли комуто придет в голову построить сначала миниатюрный домик, а затем «доращивать» все его детали до необходимых размеров. Генетическая информация Генетическая информация кодируется с помощью последовательности оснований в нуклеиновых кислотах подобно тому, как информация, содержащаяся в книге, передается с помощью последонательности букв.

Гены можно считать своего рода молекулярными «фразами», в которых «слова»-определенные фрагменты последовательности †построе из нуклеиновых «букв». Тогда всю заключенную в зиготе генетическую информацию действительно можно уподобить «книге», целиком состоящей из молекулярных «фраз». Поскольку в состав ДНК входят нуклеиновые основания четырех видов, число различных последовательностей, которые можно составить из и нуклеотидов, достигает 4" (см.

табл, 1О.1). Если учесть, что для индивидуальных генов зпачение л составляет не менее нескольких сотен, то следует признать, что число возможных комбинаций действительно необычайно велико. Однако, как мы узнаем из последующих глав, элементарными информационными единицами, детерминирующими аминокислотную последовательность любого белка, служат не отдельные основания, а так называемые триллеты — дискретные группы из трех следующих друг за другом оснований. Основания четырех видов могут образовывать 4'= 64 различных триплета, заметная доля которых, впрочем, приходится на синонимы, несущие идентичную информационную нагрузку.

Таким образом, существует 20 различных по смыслу ти- Таблица 10.1. Возможные комбинации из четырех различных оснований все- го Число оснований в группе Комбинапии ААА АСА АСА АТА САА ССА ССА СТА САА ССА ССА СТА ТАА ТСА ТСА ТТА ААС АСС АСС АТС САС ССС ССС СТС САС ССС ССС СТС ТАС ТСС ТСС ТТС ААС АСС АСС АТС САС ССС ССС СТС САС ССС ССС СТС ТАС ТСС ТСС ТТС ААТ АСТ АСТ А1Т САТ ССТ ССТ СТТ САТ ССТ ССТ СТТ ТАТ ТСТ ТСТ 'ПТ 4 х 4 х х 4 (и гппев) АА АС АС АТ СА СС СС СТ СА СС СС СТ ТА ТС ТС ТТ 16 1О пов информационных единиц, кодирующих определенные аминокислоты. Полинуклеотидная цепь, состоящая из и = б00 нуклеотцдов, содержит и/3 = 200 неперекрывающихся триплетов. Число различных аминокислотных последовательностей, которые могут кодироваться цепями такой длины, достигает соответственно 20"'з = 20зоо !Озао, что значительно превышает число всех протонов и нейтронов во Вселенной (по существующим оценхам — около 10эа).

Таким образом, теоретически число различных структур, которое может быть закодировано в достаточно протяженных полинуклеотидных цепочках, поистине безгранично. "Врожденные ошибки метаболизма" по Гэрроду Сегодня мы можем определенно ответить на вопрос о том, каким образом гены управляют развитием и жизнедеятельностью организмов. Гены контролируют клеточный метаболизм за счет содержащейся в них информации о структуре ферментов и других клеточных белков, а ферменты выступают в роли биокатализаторов, управляющих всеми химическими процессами в живых организмах.

Первым, кто выдвинул предположение о существовании непосредственной связи между генами и ферментами, был английский врач Арчибальд Гэррод. В 1902 году он впервые четко описал эту взаимосвязь в случае алкаптонурии-заболевания, которое наследуется в соответствии с законами Менделя. В моче больных алкаптонурией, страдающих от артрита, содержатся вещества, чернеющие при стоянии на воздухе. Гэррод предположил, что алкаптонурия связана с блокированием некоего метаболического процесса. Ему удалось обнаружить, что у больных алкаптонурией с мочой выделяются большие количества (несколько граммов ежедневно) гомогентизиновой кислоты, и таким образом установить природу блокируемого процесса.

Гэррод предположил, что больные алкаптонурией лишены фермента, в норме метаболизирующего гомогентизиновую ОН СНзСООН ОН Гомосе»э»э»нона» к»с»ага — + Аяканэонууня НООССН-СНССН,ССН,СООН О 4-Ма»сняаиеюуксусная кислота Пос»сную»те этапы метапо»изма Рпс. 1Оэд Метаболнче- скпй этап, блоки- руемый прп алкаптону- рнн. Отсутствие фер- мента 1окспдазы гомо- гентнзнпоной кислоты), каталнзнрующего реак- цию пренращення го- могептпзпноной кис- лоты н 4-маленлаце- тоуксусную кислоту, приводит к накопле- нию гомогентнзнноной кислоты, которая за- тем выводится о мо- чой. Экспрессия генетического материала 1О.

Генетические функции кислоту. Таким образом, он впервые отметил связь между геном и ферментом (рис. 10.2). Гэррод предложил аналогичную интерпретацию еще для трех аномалий, включая и альбинизм, который, по его мнению, вызывается блокированием метаболического пути, ведущего от тирозина к меланину. Гзррод назвал эти наследственные биохимические аномалии вронсденными ошибками метаболизма. Ему удалось сделать свои открытия благодаря осознанию того обстоятельства, что метаболический «блок» можно идентифицировать по накоплению в организме вещества, которое образуется на стадии, предшествующей этому блоку.