01. Классическая и молекулярная генетика. Основные понятия признак, фенотип, генотип, ген, локус, аллель. (Лекции по генетике)

ЛЕКЦИЯ 1. Классическая и молекулярная генетика. Основные понятия: признак, фенотип, генотип, ген, локус, аллель, гомозигота, гетерозигота, гемизигота.

О.Э. Костерин, ИЦиГ СО РАН и ФЕН НГУ, Новосибирск, 2012 г.

1.1. Классическая и молекулярная генетика

Как и в случае практически любой науки, границы генетики очертить довольно сложно, и весьма общее определение «генетика – наука о наследственности » - не особенно плодотворно. Академик Игорь Федорович Жимулев, к примеру, как-то сказал, что сейчас генетика присутствует везде – в медицине, криминалистике, теории эволюции, археологии, а в самой генетике даже и нуклеиновых кислот уже почти не видно – сплошь белок-белковые взаимодействия. Тем самым он фактически поставил знак равенства между генетикой и всей современной биологией. С другой стороны, приблизительно первые две трети ХХ века генетика была, пожалуй, наиболее обособленной и четко-очерченной областью биологии, выделяясь прежде всего своей синтетической методологией, в отличие от аналитической методологии прочих отраслей биологии. Чтобы узнать об устройстве своего объекта, она не разделяла его на части, но судила о частях косвенным образом, путем наблюдения целого (а именно посредством наблюдения за поведением признаков в скрещиваниях) и опираясь на математику, а в верности своих выводов убеждалась, получая живые организмы с предсказанными свойствами. Таким образом, генетика с самого своего начала обладала способностью создавать нечто новое, а не только описывать наблюдаемое. В то же самое время, во второй половине ХХ века бурно развивалась молекулярная биология – наука поначалу чисто аналитическая, расщепляющая на части. Впрочем, ее прогресс осуществлялся во многом генетическими методами – вспомнить хотя бы то, что генетический код был установлен в опытах Бензера и Крика с использованием мутаций у бактериофагов. Однако в этом случае использовалась генетика микроорганизмов, а прогресс «классической» генетики ассоциировался скорее с генетикой эукариот.

В итоге, молекулярная биология получила почти исчерпывающие знания о том, из чего и как устроен живой организм. Предметы молекулярной биологии и генетики во многом пересекались: обе они изучали передачу и реализацию наследственной информации (а живой организм – это и есть сама по себе реализация наследственной информации), однако к пониманию этого предмета они двигались с противоположных сторон – генетика «снаружи», молекулярная биология «изнутри».

В последнюю треть ХХ века молекулярная биология и генетика, можно так сказать, встретились, в том числе и в изучении эукариот. Умозрительные объекты генетики превратились в совершенно конкретные физико-химические объекты известной структуры, а молекулярная биология стала наукой синтетической, способной влиять по своему произволу даже на высшие многоклеточные организмы – взять хотя бы генетическую модификацию. В результате границы генетики как науки стерлись до неразличимости – нельзя стало сказать, где кончается молекулярная биология и начинается генетика. Более того, для обозначения получившейся синтетической науки появился термин «молекулярная генетика», в результате чего стало не вполне понятно, что именно осталось в генетике за пределами последней. Генетике домолекулярного периода, со всеми ее подходами, основанными на скрещиваниях и теории вероятностей, был присвоен почетный титул «классическая генетика». С другой стороны, с этим титулом ее как бы отправили в почетную же отставку. Можно вспомнить, как Уотсон и Крик отказались обсуждать свою модель структуры ДНК в их статье в Nature, поскольку следствия из нее были слишком велики и очевидны. В какой-то момент могло показаться, что из этой модели вытекает и вся генетика.

Складывается парадоксальная ситуация. Все курсы генетики начинаются с истории этой науки. Разбирается то, как Мендель работал с горохом, что он получил и как это интерпретировал исходя из имеющихся у него знаний, потом как Морган и его школа работали с дрозофилой, что они получили и как интерпретировали. Обе эти темы опустить никак невозможно – Мендель являет нам пример человека, с нуля разработавшего и с блеском применившего генетическую методологию, основанную на математике, а школой Моргана за первые три десятка лет ХХ века была разработана хромосомная теория наследственности и фактически вся классическая генетика. Однако курсы генетики можно разбить на два больших класса. Одни детально прорабатывают всю историю и внутреннюю логику развития этой науки, демонстрируя и мощь ее методологии, и возможности человеческого разума в умозрительном проникновении вглубь вещей. Другие курсы, быстро проскочив этот исторический период, приступают к молекулярной генетике и там рассматривают что же известно на настоящий момент о структуре и работе генов. Фактически оба типа курсов помещают классическую генетику в прошлое и различаются только по детальности ретроспекции. Получается, что классическая генетика имеет как бы только историческое значение. Однако ее мощная методология никуда не делась и является необходимой для весьма широкого спектра исследований. Если заглянуть в статьи, имеющие вполне молекулярно-биологические названия и опубликованные в лучших журналах, то мы увидим, что все они основаны на обширном материале, касающимся сотен индивидуальных мутаций и их сочетаний, с учетом взаимосвязи природы мутаций и того фенотипа, который они вызывают. Это справедливо как для дрозофилы или мыши, для которых собраны огромные генетические коллекции и созданы (некоторые около ста лет назад, другие недавно) специальные лабораторные линии, так и для человека, где в настоящее время накоплено огромное количество медико-генетических – по сути популяционно-генетических - данных, связанных с наследственными заболеваниями. И чем богаче этот арсенал генетических знаний и экспериментальных моделей, тем изящнее работа. Все эти более чем серьезные исследования невозможны без одновременного владения методологией классической и молекулярной генетики. Поэтому и изучать эти «две генетики» лучше всего параллельно, как ни сложно это организовать.

В современной науке можно наблюдать и примеры того, как пренебрежение «устаревшей» классической генетикой приводит к курьезам. Вот например, группе европейских ученых понадобилось получить гетерозиготу по транслокации у гороха. (Я сейчас говорю исходя из того, что у вас есть некое представление о чем идет речь при употреблении подобных  терминов. Если нет – не беда, все это мы еще будем рассматривать едва ли не слишком подробно; пока же мы говорим о необходимости генетических знаний). Они получили ее посредством слияния протопластов родительских линий. Регенерация из культуры клеток у гороха идет крайне тяжело, это исключительно трудоемкий путь. Зачем они это сделали? По-видимому, они думали, что носители транслокации не скрещиваются с обычным горохом! На самом деле, проблемы с размножением при скрещивании растений, различающихся транслокацией, действительно возникают, но только в следующем поколении, и состоят они в потере всего лишь половины плодовитости.

Но этими ученым хотя бы нужна была гетерозигота. Между тем всеобщее увлечение молекулярной биологией и пренебрежение к классической генетике приводит к тому, что о существовании гетерозигот – то есть о том, что у большинства эукариот каждый ген представлен в двух копиях, которые могут различаться, а могут быть идентичны - часто вообще забывают. К примеру, мне на рецензию приходила статья немецких авторов, в которой они прочитали, некую некодирующую последовательность ядерной ДНК, путем ее амплификации из тотальной индивидуальной ДНК, из 38 особей стрекоз, пойманных в разных регионах (Западной Европе, Западной Сибири, Японии и Северной Америке) и нашли у них 20 ее вариантов. Написано было так, как если бы в каждой особи был найден только один вариант. Однако если изменчивость действительно так высока, как они утверждают, то вероятность того, что в их выборке найдется хотя бы одна особь, у которой обе копии этой последовательности окажутся одинаковыми, не очень сильно отличается от нуля. А у гегерозотных особей первичная структура ДНК не может быть расшифрована однозначно. И это даже никак не обсуждалось! После рецензии они написали, что в пяти случаях было подозрение на гетерозиготность. Если действительно всего пять – то у них в руках был поразительный феномен превращения гетерозигот в гомозиготы после оплодотворения посредством неизвестных пока механизмов, но они этого, похоже, даже не поняли.

Сейчас широко распространены реконструкции филогении на основе тех или иных последовательностей ДНК. Так вот, сплошь и рядом делаются попытки на основе времени дивергенции между популяциями судить, относятся ли эти популяции к одному биологическому виду или к разным. (Заметим, что оценивается именно время дивергенции, поскольку изучаемые гены, изменчивость которых более или менее постоянна во времени, заведомо не являются теми генами, с изменением которых видообразование могло быть связано). Между тем, время дивергенции вообще имеет мало отношения к этой проблеме – моменты приобретения некоей локальной популяцией репродуктивной изоляции, то есть моменты видообразования, случаются в определенных условиях и обычно занимают с палеонтологической точки зрения не так много времени (десятки-сотни тысяч лет), тогда как популяции могут дивергировать долгое время без видообразования. Вопрос состоит в именно том, чтобы узнать, имеется ли между популяцииями репродуктивная изоляция (хотя бы потенциальная). Для этого следует посмотреть, идет ли между ними обмен генами (если он физически возможен). Здесь как раз очень важно узнать, присутствуют ли в местах стыка исследуемых популяций гетерозиготы по характерным для каждой из них аллелям и какова их частота. Но эту трудоемкую задачу осуществляют крайне редко, и о том, к одному и тому же или к разным видам принадлежат популяции, судят по уровню различий между ними, сравнивая их с различиями в тех случаях, которые полагаются несомненными.

Вообще, если отдельно взятый организм (допустим как представитель своего вида) можно исследовать методами молекулярной генетики, то как только речь заходит о множестве организмов, то есть возникает популяционно-генетическая задача – а такая задача возникает достаточно часто - например в популяционной биологии, селекции, медицине – не обойтись без подходов классической генетики. Классическая генетика незаменима во всем, что касается индивидуальных различий и характеристик множеств особей одного вида. Это именно ее стихия, и именно в ней часто оказываются беспомощны те нынешние ученые, которые заменили классическое генетическое образование молекулярно-биологическим.

Исходя из вышесказанного, я вижу свою задачу в том, чтобы изложить классическую генетику не столько в историческом аспекте, следуя за великими учеными прошлого, сколько отталкиваясь от современного состояния науки, в частности - не абстрагируясь от знаний, которые вы уже получили на курсах молекулярной биологии и цитологии. При этом некоторые закономерности, открытые в качестве чисто эмпирических на уровне организмов, приобретают вполне естественную интерпретацию на уровне молекул и выглядят едва ли не тривиальными. В то же время, о самих этих закономерностях следует иметь четкое представление, поскольку именно ими следует пользоваться на уровне организмов. В некотором смысле, такой курс генетики мыслится как нечто вроде «демонстрации фокусов с разоблачениями» - где и сам фокус, и его подоплека в равной мере являются «медицинскими фактами». Такой курс был бы призван научить весьма продуктивной методологии: спускаться от признака к генам и, через понимание механизма их действия, подниматься обратно, к синтезу новых признаков.

Как вы уже поняли, в настоящий моменту содержание генетики огромно и разнородно, так что отведенного нам времени вряд ли хватит даже на краткое ознакомление. Это заставляет оставить за кадром историю генетики как самостоятельную тему, которой должен был бы быть посвящен спецкурс, хотя в некоторых наиболее важных случаев без исторических экскурсов нам не обойтись.

К сожалению, очерченному выше идеалу изучения генетики на современном этапе – от признака к гену и обратно – не соответствует ни один имеющиеся учебник, скорее всего потому, что эта наука развивается сейчас слишком быстро. В качестве некоторой компенсации этого обстоятельства я буду стараться выкладывать свои скромные лекции на мой собственный интернет-сайт, где они будут доступны тем, кому я сообщаю их адрес – то есть вам. Я бы порекомендовал взять за основу учебник С.Г. Инге-Вечтомова «Генетика с основами селекции». Хорошо известен также учебник академика Игоря Федоровича Жимулева «Общая и молекулярная генетика», в котором основной упор делается именно на молекулярную генетику. Могу добавить, что лично я нахожусь здесь и вообще работаю в Институте цитологии и генетики исключительно потому, что прослушал курс генетики Владимира Александровича Бердникова. Это был лучший учебный курс, который я слышал, и он вообще не соответствовал никакому учебнику, потому что В. А. готовил его по материалам последних обзоров в научной периодике, еще не вошедших ни в какие учебники. Игорь Федорович тоже превратил в учебник свой оригинальный курс лекций.

Мы с вами коснемся основ генетики весьма основательно, с тем, чтобы их хорошо прочувствовать. Начнем мы с самого начала, чтобы не дай бог не упустить чего-нибудь простого, но важного - невзирая на то, что самые элементарные основы генетики проходят еще в школе. С другой стороны, я имею дело с тетьекурсниками, которые уже прошли курс молекулярной биологии и в данный момент проходят теорию вероятности и математической статистики, что позволяет мне не слишком отвлекаться на материалы этих столь необходимых для изучения генетики дисциплин. Я, к примеру, буду исходить из того, что вы знаете (или в нужное время узнаете), что такое альтернативный сплайсинг или распределение Пуассона.

В наше время стандартная логика изложения общей биологии состоит в движении снизу вверх, от атомов к молекулам и макромолекулам, далее – к структурам клетки, к жизни самой клетки и далее – к многоклеточному организму. Когда мы знаем принципы организации жизни до конца, этот порядок изложения получается органичным и естественным. В эти принципы входит и механизм функционирования нуклеиновых кислот как носителя информации, прежде всего о разнообразных белках и функциональных РНК (функции которых после открытия малых РНК оказались более разнообразными, чем считалось ранее), причем не только об их структуре, но и о том, когда, где и сколько тех или иных РНК или белков должно синтезироваться. Управление этими процессами осуществляется опять-таки с помощью определенных белков (а нередко и РНК). Налицо каскадный принцип разворачивания генетических систем управления – гены кодируют белки (РНК), необходимые для того, чтобы управлять генами, которые кодируют другие белки (РНК) и т. д. Поскольку почти все вообще в организме «делается» белками (плюс некоторыми РНК), то получается, что фактически в нуклеиновых кислотах записана информация обо всем организме вообще - однако считывание этой информации невозможно без ранее синтезированных (опять-таки по матрице ДНК) белков, которые и оперируют с ДНК.

Этот порядок изложения полностью совпадает с тем порядком, в котором развивалась сама жизнь. Сначала это были какие-то «простые» (но лишь по сравнению с тем, что из них потом возникло) системы из самовоспроизводящихся макромолекул, по-видимому, нуклеиновых кислот. Потом им случилось окружить себя фосфолипидной мембраной, что позволило им строить свой собственный микрокосм внутри нее. Так возникли клетки. Все большую роль в функционировании этих первых живых существ приобретали белки, но контроль полностью сохранился за нуклеиновыми кислотами. Клетки усложнялись и научились делиться все более правильно. После деления они иногда не расходились, образуя колонии. Перед этими колониями возникали все более сложные проблемы в связи с их размерами и формой – всем клеткам в колонии нужно было доставить все необходимое для жизни и отводить продукты метаболизма. Разрешение этих проблем было достигнуто за счет определенной структуры колоний и разделению труда между составляющими их клетками, что немаловажно - при сохранении их полной генетической идентичности – иначе вместо кооперации мы имели бы конкуренцию, как в раковой опухоли. Простые колонии превратились в государства клеток, т. е. в многоклеточные организмы. Были решены также проблемы их самовоспроизведения как сложных структур, причем это удалось реализовать так, что каждый организм мог развиваться из одной клетки посредством разворачивания сложной генетической программы, регулирующей деления клеток и взаимодействия между ними.

Однако такой стандартный порядок изложения биологических знаний отвлекается от того, каким образом они были получены. А получены они были по мере развития науки в прямо противоположном направлении – от организмов к органам, клеткам, макромолекулам и атомам. По мере погружения на каждый из этих уровней ученые могли только делать догадки о том, как устроен уровень более глубокий. Когда-то максимум, что они могли сделать, это вскрыть тело, посмотреть на органы и предположить, как они работают. Когда открыли клетки, сначала считали, что они заполнены пустотой. Потом открыли протоплазму, но сначала видели ее только как вязкую жидкость, в которой, однако же, каким-то таинственным образом содержалась сущность жизни. Открыли ядро и органеллы клетки. Нашли красители, которые по-разному их красят, и тем самым подступились к их химическому составу. В конце ХIХ в. обнаружили нуклеиновые кислоты и выяснили их приблизительный химический состав, но их конкретная структура долго оставалась загадкой, разгадка которой выглядела столь блестяще. На этом погружение вглубь биологии, пожалуй, прекратилось, к концу ХХ в. все основные принципы биологии были открыты. Пришел период накопления частностей на этом углубленном молекулярном уровне. Их оказалось необычайно много. Сейчас мы переживаем период, когда это огромное количество частностей начинают соединять в некую связную картину – модель устройства живого организма. Причем эта модель, при всей ясности ее принципиальной организации, столь огромна по объему частностей, что она далеко не может быть в полной мере воспринята человеческим сознанием, так что не только ее построение, но и наглядное описание и использование невозможно без современных компьютеров.