01. Классическая и молекулярная генетика (Лекции по генетике)

Лекция 1ОСНОВНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru1.1. Классическая и молекулярная генетикаГраницы генетики, как, впрочем, и почти любой науки, очертить довольно сложно, ивесьма общее определение «генетика – наука о наследственности» не особенноплодотворно. Один известный генетик недавно сказал, что сейчас генетика присутствуетвезде – в медицине, криминалистике, теории эволюции, археологии, в самой же генетикедаже и нуклеиновых кислот уже почти не видно – сплошь белок-белковыевзаимодействия. Тем самым он фактически поставил знак равенства между генетикой ивсей современной биологией. С другой стороны, приблизительно первые две трети ХХвека генетика была, пожалуй, наиболее обособленной и четко очерченной областьюбиологии, выделяясь среди прочих прежде всего своей синтетической методологией, вотличие от аналитической методологии большинства других отраслей биологии.

Чтобыузнать об устройстве своего объекта, она не разделяла его на части, но судила о частяхкосвенным образом, путем наблюдения целого (а именно посредством наблюдения заповедением признаков в скрещиваниях) с опорой на математику, а в верности своихвыводов убеждалась, получая живые организмы с предсказанными свойствами. Такимобразом, генетика с самого своего начала обладала способностью создавать нечто новое, ане только описывать наблюдаемое.

В то же самое время, во второй половине ХХ векабурно развивалась молекулярная биология – наука поначалу чисто аналитическая,разделяющая на части. Впрочем, ее прогресс осуществлялся во многом генетическимиметодами – вспомним хотя бы тот факт, что генетический код был установлен в опытахБензера и Крика с использованием мутаций у бактериофагов.В итоге, молекулярная биология получила почти исчерпывающие знания о том, из чегои как устроен живой организм. Предметы молекулярной биологии и генетики во многомпересекались: обе они изучали передачу и реализацию наследственной информации (аживой организм сам по себе и есть реализация наследственной информации), однако кпониманию этого предмета они двигались с противоположных сторон – генетика«снаружи», молекулярная биология «изнутри».1В последнюю треть ХХ века молекулярная биология и генетика, можно сказать,встретились.

Умозрительные объекты генетики превратились в совершенно конкретныефизико-химические объекты известной структуры, а молекулярная биология стала наукойсинтетической, способной влиять по своему произволу даже на высшие многоклеточныеорганизмы – взять хотя бы генетическую модификацию. В результате границы генетикикак науки стерлись до неразличимости – нельзя стало сказать, где кончается молекулярнаябиология и начинается генетика. Более того, для обозначения получившейсясинтетической науки появился термин «молекулярная генетика», в результате чего сталоне вполне понятно, что именно осталось в генетике за пределами последней.

Генетикедомолекулярного периода, со всеми ее подходами, основанными на скрещиваниях итеории вероятностей, был присвоен почетный титул «классическая генетика». С другойстороны, с этим титулом ее как бы отправили в почетную отставку. Здесь можновспомнить, как Уотсон и Крик отказались обсуждать свою модель структуры ДНК в ихстатье в «Nature», поскольку следствия из нее были слишком велики и очевидны. В какойто момент могло показаться, что из этой модели вытекает и вся генетика.Складывается парадоксальная ситуация.

Все курсы генетики начинаются с историиэтой науки. Разбирается сначала то, как Мендель работал с горохом, что он получил и какэто интерпретировал исходя из имеющихся у него знаний, потом то, как Морган и егошкола работали с дрозофилой, что они получили и как интерпретировали. Обе эти темыопустить никак невозможно – Мендель являет нам пример человека, с нуля создавшего и сблеском применившего генетическую методологию, основанную на математике, а школойМоргана за первые три десятка лет ХХ века была разработана хромосомная теориянаследственности и фактически вся классическая генетика.

Однако курсы генетики можноразбить на два больших класса. Одни детально прорабатывают всю историю ивнутреннюю логику развития этой науки, демонстрируя и мощь ее методологии, ивозможности человеческого разума в умозрительном проникновении вглубь вещей.Другие курсы, быстро проскочив этот исторический этап, приступают к молекулярнойгенетике и рассматривают что же известно на настоящий момент о структуре и работегенов. Фактически оба типа курсов помещают классическую генетику в прошлое иразличаются 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 весьмаширокого спектра исследований.

Если заглянуть в статьи, имеющие вполне молекулярнобиологические названия и опубликованные в лучших журналах, то мы увидим, что всеони основаны на обширном материале, касающимся сотен индивидуальных мутаций и их2сочетаний, с учетом взаимосвязи природы мутаций и того фенотипа, который онивызывают. Это справедливо как для дрозофилы или мыши, для которых собраныогромные генетические коллекции и созданы (некоторые около ста лет назад, другиенедавно) специальные лабораторные линии, так и для человека, где в настоящее времянакоплено огромное количество медико-генетических – по сути популяционногенетических - данных, связанных с наследственными заболеваниями.

В настоящее времяв распоряжении генетиков имеется материал, о котором генетики прошлого не могли имечтать. Существуют огромные генетические коллекции «нокаутных» линий, например,мышей, у каждой из которых молекулярными методами «выключен» совершенноопределенный ген. Существуют огромные наборы «тиллинговых» (TILLING) линийосновных растительных объектов, несущие мутации, индуцированные традиционнымихимическими мутагенами и затем точно охарактеризованные на молекулярном уровне.Существуют бинарные наборы линий дрозофилы, с помощью которых разные гены,введенные в геном мухи методами химической трансформации, можно заставить работатьпод разными промоторами. И чем богаче этот арсенал генетических знаний иэкспериментальных моделей, тем изящнее работа. Наиболее значительные современныеисследования были бы невозможны без одновременного владения методологиейклассической и молекулярной генетики.

Поэтому и изучать эти «две генетики» нужнопараллельно, как ни сложно это организовать методически.В современной науке можно наблюдать и примеры того, как пренебрежение«устаревшей» классической генетикой приводит к курьезам. Например, группеевропейских ученых понадобилось получить гетерозиготу по хромосомной транслокацииу гороха. Они получили ее посредством слияния протопластов родительских линий.Регенерация из культуры клеток у гороха идет крайне тяжело, это исключительнотрудоемкий путь. Зачем они это сделали? По-видимому, они полагали, что носителитранслокации не скрещиваются с обычным горохом! На самом деле, проблемы сразмножением при скрещивании растений, различающихся транслокацией, действительновозникают, но только в следующем поколении, и состоят они в потере всего лишьполовины плодовитости.Но этими ученым хотя бы нужна была гетерозигота.

Между тем всеобщее увлечениемолекулярной биологией и пренебрежение к классической генетике приводит к тому, чтоо существовании гетерозигот – то есть о том, что у большинства эукариот каждый генпредставлен в двух копиях, полученных от родителей, которые могут различаться, а могутбыть идентичны - часто вообще забывают. К примеру, автору данного курса на рецензиюприходила статья немецких авторов, в которой они расшифровали, некую некодирующую3ядерную последовательность 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 вариантов этой последовательности.Написано было так, как если бы в каждой особи был найден только один вариант.