big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Проблема гена и молекулярные основы мутаций

Наиболее фундаментальной задачей будущего генетики является решение проблемы получения направленных мутаций. Эта задача в основном будет решаться на путях направленного химического преобразования молекулярных систем в пределах отдельных генов.

При помощи методов общей, радиационной, химической и молекулярной генетики во многом уже достигнуто управление наследственностью. В селекции микроорганизмов, растений и животных имеются существенные производственные достижения, полученные с помощью этих новых методов.

Изменяя атомные группировки в молекулах нуклеиновых кислот при помощи проникающей радиации или химических мутагенов, мы получаем спектр разнообразных мутаций. Поэтому создание нужных нам форм сопровождается длительным отбором, скрещиванием, проведением обширной селекционной работы. Использование радиационных и химических мутагенов резко ускоряет процессы преобразования наследственности, тем не менее необходимо сделать новый качественный скачок, нужно научиться получать направленные мутации, т. е. получать организмы только с заданными наследственными признаками.

Решение этого вопроса связано с умением целенаправленно изменять молекулы ДНК, изменять порядок нуклеотидов по намеченному плану, создавать нужную последовательность пар нуклеотидов внутри определенных генов. Говоря чисто теоретически, если бы мы имели в своих руках механизм сборки полимеров ДНК по заданной системе последовательности нуклеотидов, то, взяв клетку данного вида, мы могли бы одним скачком, преодолев в ней видовую специфику ДНК, получить клетку совершенно иного вида.

Как ни сложна задача получения направленных мутаций, однако в последних работах по молекулярной генетике найдены » правильные пути, и, более того, даже некоторые элементы решения этой задачи уже достигнуты в работах с бактериями, фагами и растительными вирусами.

В настоящее время эти работы уже привели к созданию теории мутаций на молекулярном уровне, поскольку оказалось возможным получить совершенно определенные реакции между генетическим материалом (ДНК) и химическим мутагеном, в результате чего происходит определенное изменение в химическом строении ДНК. Имеется уже ряд примеров такой расшифровки молекулярной сущности мутаций. Именно на этой основе было раскрыто молекулярное строение гена у фага Т4, о чем было сказано ранее.

Однако все это лишь первые шаги в изучении данного вопроса. Громадная трудность его не может быть недооценена. Для получения направленных мутаций у любого вида организмов необходима расшифровка молекулярного строения интересующего нас гена и получение в этом гене определенных химически измененных структур ДНК. Ввиду неспецифичности азотистых оснований в молекуле ДНК регуляция взаимодействия между химическим мутагеном и нужным нам определенным геном, а внутри него с определенным основанием является исключительно трудным моментом. Имеются факты специфичности спектра мутаций в зависимости от качественных особенностей разных мутагенов. Это показывает наличие преимущественных связей той или иной группы генов с тем или иным мутагеном. Известны случаи генотипического контроля над мутациями, когда при наличии в клетке определенного гена другой, независимый от него ген начинает мутировать. У кукурузы введение гена Dt вызывает частые мутации определенного гена, контролирующего окраску. В этом случае естественная регуляция процесса мутаций находится на уровне, требуемом для решения задачи получения направленных мутаций. Эффект гена так изменяет биохимическую обстановку в клетке кукурузы, что каждый раз начинает мутировать один определенный ген. Вместе с тем это показывает, что генетический материал имеет какие-то неизвестные нам свойства, которые не исчерпываются простым изменением в последовательности оснований в молекуле ДНК. Эти свойства, по-видимому, связаны с особенностями самой генной организации молекулярных структур ДНК.

Среди важнейших событий последнего десятилетия укажем на открытие того, что клетка способна самоизлечивать (репарировать) поражения, нанесенные ее генетической информации радиацией или агентами химической природы.

В течение почти четырех десятилетий генетики считали, что каждое эффективное попадание кванта лучистой энергии в ген должно непременно заканчиваться либо гибелью гена (а отсюда нередко и гибелью организма), либо мутацией. Была построена «теория мишени», которая на математическом языке формулировала это жесткое правило.

Однако открытие целой системы репарирующих ферментов (сегодня мы знаем, по крайней мере, 4 таких фермента) показало, что далеко не каждое первичное повреждение генов реализуется в виде стойкого генетического эффекта. Большая часть повреждений, а у бактерий нередко до 90%, устраняется, и клетка излечивается. Это открытие перевернуло наши представления не только о конечном результате взаимодействия мутагена с наследственным веществом, но и о жизнедеятельности клетки вообще.

Универсальность действия репарирующих ферментов показана не только тем, что они найдены у огромного количества организмов, но и тем, что эти ферменты многосторонни, они принимают участие в таких фундаментальных процессах жизнедеятельности, как в защите наследственных структур от поражений, в процессах становления мутаций, в обмене генетической информацией посредством рекомбинации и в синтезе ДНК.

Только за последние полтора года использование этих ферментов помогло выполнить два великолепных генетических эксперимента, о которых выше уже упоминалось, а именно искусственный синтез фаговой ДНК, осуществленный А. Корнбергом, и искусственный синтез гена, сделанный Г. Корана.

А. Корнберг много лет безуспешно пытался синтезировать «живую» ДНК, но каждый раз то одна, то другая помеха отодвигала успех. Несколько лет назад он сумел даже сфотографировать в электронном микроскопе синтезированную им ДНК, но обнаружил, что вместо длинной ровной цепи молекулы он получил разветвляющиеся молекулы. Лишь использование репарирующих ферментов, которые «откусили» ветвящиеся концы, сдвинуло дело с мертвой точки и привело А. Корнберга к победе.

Г. Корана использовал один из репарирующих ферментов для того, чтобы обеспечить быстрый синтез большого числа копий отдельных участков гена аланиновой т-РНК.

Целый ряд выдающихся исследователей связывают в настоящее время проблему репараций с осуществлением мутаций. Эндонуклеазы узнают вторичные нарушения в структуре ДНК, которые возникают при первичных повреждениях и вырезают самоповреждение, возникающее в одной нити ДНК, или отрезок в другой нити, противостоящей повреждению. Вовлекая в эти процессы неверное спаривание оснований, клетка фиксирует мутации. Одной из главных загадок теории мутаций является объяснение появления полных мутаций. Дело в том, что ДНК у подавляющего большинства организмов представлена двуцепочечной молекулой, а поражение от большинства мутагенов наносится, как правило, одной из цепей молекулы. Но, как ни странно, нередко измененными оказываются в данной точке обе нити, что и получило название полной мутации. Каким образом поражение одной нити передается на вторую нить, до последнего  времени оставалось загадкой, и лишь использование данных о репарации позволило нам в Институте общей генетики АН СССР объяснить процесс переноса ошибки с одной нити на другую как раз в тот момент, когда репарирующие ферменты начинают исправлять дефекты в ДНК.

На репарирующие ферменты возлагается много надежд в разработке вопроса о контроле над мутациями. Они позволят увеличить количество мутаций, что очень важно для селекции, и подавлять возникновение мутаций, что исключительно важно в медицине и для сохранения наследственно чистых форм в сельском хозяйстве.

Центральной научной и практической проблемой генетики и всей биологии является получение направленных мутаций. Долгое время принималась точка зрения, что стохастический, случайный характер мутагенеза является столь же жестким законом, как второй закон термодинамики.

В свете действия репарирующих систем, роли метаболизма клетки, учения о потенциальных поражениях, в свете фактов специфичности мутагенеза и других, вырисовывается картина реальных возможностей управления самыми глубинными процессами, лежащими в основе мутаций.

Последние 10 лет были триумфальными для исследований химической природы реакций мутагенов с ДНК и РНК. Эти исследования продемонстрировали разнообразие реакций мутагенов и привели к обоснованию ряда новых принципов. Укажем на возможность регуляции мутаций в момент удвоения молекул ДНК на основе того, что последние удваиваются не сразу на всем протяжении, а начиная с одного конца. Хорошей аналогией процесса раскручивания спирали ДНК и расхождения ее нитей является обычная застежка «молния».

Было найдено, что ряд мутагенов (нитрозогуанидин и, по-видимому, акридиновые красители) могут вызывать мутации только в той точке молекулы, которая в данный момент подвергается удвоению. Использовав это наблюдение, авторы открытия смогли даже построить весьма точную генетическую карту бактерии кишечной палочки, добавляя через равные промежутки времени мутаген и изучая, какой же ген изменялся в данную минуту.

Это открытие дает принципиально новый подход к решению проблемы управления мутагенезом. Узнав, какие гены начинают удваиваться в данный момент, мы, вероятно, сможем с помощью этих мутагенов изменять нужные нам гены, не затрагивая других генов.

Однако проблема направленного мутагенеза требует, по-видимому, принципиально новых решений в вопросе о взаимодействии генов и энергии мутагенов. До сих пор все использованные мутагены неспецифичны в том смысле, что они взаимодействуют с отдельными группами атомов индивидуальных оснований в ДНК вне зависимости от их участия в системах различных отдельных генов. Такими мутагенами служили химически простые молекулы: кислоты, щелочи, Н2О2 и др. Однако в последнее время появились данные, что более сложные молекулы (например, стероидные диамины) также вызывают мутации, причем сразу же выявилось, что скорость и характер реакций этих мутагенов коренным образом отличается от реакций обычных мутагенов. Можно высказать предположение, что если бы удалось найти или синтезировать такие мутагены, которые взаимодействовали бы не с одним или двумя основаниями, а целостно узнавали бы данный ген или его большой участок, то тогда вопросы специфичности взаимодействия генов и мутагенов приобрели бы реальное звучание и мы, возможно, вплотную подошли бы к решению проблем направленного мутагенеза.

При всей своей трудности проблема получения направленных мутаций служит путеводной звездой будущего генетики. Решение этой задачи — одна из главнейших проблем всего естествознания. Можно ждать самых серьезных сдвигов в этом вопросе в оставшиеся десятилетия нашего и, возможно, в начале будущего века. Только решив проблему получения направленных мутаций, человек приобретет полную власть над органическим миром.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.