Текст книги "Мы и её величество ДНК"
Автор книги: Федор Полканов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 11 страниц)
В союзе с химией
Ионизирующие излучения вызывают мутации. А как действуют химические вещества? Хромосомы, носительницы генов, – сложные химические соединения, и не может быть, чтоб не нашлось химических веществ, воздействуя которыми можно было бы получать мутации.
Примерно так рассуждали генетики, принимаясь за химический штурм гена. Штурм этот оказался нелегким. Хромосомы клеточных ядер погружены в протоплазму, и нужно было подобрать такие вещества, которые проникали бы через эту преграду. Но мало того – не все, что проникало, оказывало мутагенное действие.
Первому повезло В. В. Сахарову – в ту пору еще молодому научному работнику. В 1932 году он получил мутации при помощи химических воздействий. Вслед за ним, через два года, того же добился М. Е. Лобашов. Таковы имена первооткрывателей. Но от первых ласточек до подлинного прихода весны порою проходит немало времени. Лишь с 1938 года, когда ринулся в химическую атаку на ген И. А. Рапопорт, достижения стали нарастающими и устойчивыми. Я не случайно написал «ринулся в атаку». Это был доподлинный штурм, усиливавшийся со дня на день; число мутаций росло, мутагены (вещества, их вызывающие) становились все более действенными.
Немного позже (с начала сороковых годов) в эту работу включились Шарлотта Ауэрбах в Шотландии и Олкерс в Германии. Однако и по сей день Иосиф Абрамович Рапопорт уверенно лидирует в этой области. В его лаборатории открыто больше ста химических мутагенов, многими из которых пользуются генетики и селекционеры всего мира.
Первые мутагены давали мутации в долях процента, к 1947 году этот процент вырос до 10 – в ту пору Рапопорт действовал формальдегидом. А теперь есть мутагены, вызывающие... более 100% мутаций. Как это более 100? На первый взгляд это кажется странным. Однако вспомним методику CLB. Там мутабильность определяется по проценту летальных мутаций в половой хромосоме дрозофилы. В случаях, когда летали («смертоносные» гены) образуются в каждой из хромосом, процент будет равен 100. А некоторые так называемые супермутагены Рапопорта вызывают по нескольку мутаций в каждой из хромосом! Так и получается больше 100%.
Не надо думать, что все мутации вредны, все «портят» генотип. Так же как при рентгеновском воздействии, под влиянием химических мутагенов получают как вредные, так и хозяйственно полезные мутации. В задачу селекционера входит их отобрать. Лаборатория Рапопорта создала свыше 200 перспективных мутантных линий самых различных культурных растений. Можно быть уверенными, что некоторые из них станут сортами. Сейчас очень часто используется химический мутаген этиленимин. Генетики тщательно изучают его действие. Оказалось, что по сравнению с лучами Рентгена он вызывает в четыре раза больше жизнеспособных мутаций: при рентгеновском воздействии на ячмень их около 4—5%, при действии этнленимином – 20%. В микробиологической промышленности очень большое внимание уделяется селекции высокопродуктивных штаммов плесневых грибков и актиномнцетов, производящих антибиотики. Оказалось, что наибольшее число полезных мутантов у этих микроорганизмов вызывает комбинированное воздействие ультрафиолетовых лучей и этиленнмппа. С участием этого мутагена в лаборатории С. И. Алиханяна получено много новых чудодейственных производителей антибиотиков – штаммов различных грибков.
Полиплоидный ряд у пшениц.
«Человечество питается полиплоидами»
Эти слова принадлежат крупному советскому генетику академику П. М. Жуковскому. Ниже вы поймете, что выражение это не только образное, но и весьма точное.
Еще в главе о менделизме мы говорили, что гамета содержит один хромосомный набор, она гаплоидна (n). А зигота содержит два хромосомных набора (2n), она диплоидна. Мы рассматривали простейшие случаи: высшие растения (горох), высокоорганизованных животных. Если присмотреться к миру живого шире, то окажется, что не всегда дело обстоит так, как в наших случаях. У некоторых папоротников, например, гаплоидное состояние, гаплофаза, занимает в жизненном цикле куда большее место, чем состояние диплоидное, диплофаза. То, что в обиходе называется папоротником, в этом случае – гаплоид. А диплоидны у папоротника лишь заростки, образующиеся на недолгое время в процессе размножения. Было выяснено также, что гаплоидны, то есть содержат один хромосомный набор, а то и просто одну-единственную хромосому, многие микроорганизмы.
Сцепленное с полом наследование у пецилии.
Каким был кот – отец котят?
В природе были обнаружены и иные формы – с увеличенным, по сравнению с обычным, диплоидным, числом хромосомных наборов. Эти формы носят название полиплоидов. Они очень распространены.
Первый полиплоид был описан еще в начале века де Фризом. Это гигантская форма энотеры. Если у обычных форм число хромосом 14, то у гигантской их 28. Легко понять, что гаплоидное число (n) равно здесь 7. Отсюда нормальная форма будет 2n = 14, а полиплоид 4n = 28. У него четыре хромосомных набора. Такие формы называют тетраплоидными.
Далее была обнаружена полиплоидия у дурмана и у многих других растений. Было выяснено, например, что все культурные формы пшеницы – полиплоиды. Пшеница, содержащая в клетках по 14 хромосом (диплоидная), так называемая однозернянка, не имеет в настоящее время никакого практического значения. В культуре используются лишь полиплоиды: 4n = 28 и 6n = 42. Тетраплоидны овес, картофель, табак, белый клевер, люцерна, тимофеевка, многие из плодовых растений. Иначе говоря, большая часть растений, используемых человеком в пищу, является полиплоидами.
Удвоение числа хромосомных наборов обычно ведет к увеличению размеров, к гигантизму. Именно этот гигантизм и обуславливает ту огромную роль, которую полиплоиды играют в природе. Но, конечно, не нужно думать, что любое удвоение числа хромосом обязательно приведет к гигантизму. У тех же пшениц 4n и 6n формы лучше обычных диплоидных (2n). Однако дальнейшее увеличение числа хромосомных наборов уже не ведет к увеличению размеров растений: 84-хромосомные формы – растения слаборазвитые. А если у ржи, обычное число хромосом которой 14, произойдет удвоение, полиплоид получается мощным.
Тайну, подсмотренную в природе, было заманчиво взять на вооружение, применить в селекции. Есть сложное химическое вещество – алкалоид колхицин. Стоит в его раствор поместить делящиеся клетки, как начинаются чудеса. Вспомним, что при делении образуется веретено из белковых нитей; сокращаясь, эти нити растаскивают хромосомы к полюсам клетки. Но в растворе колхицина веретено не образуется и разделившиеся хромосомы не расходятся к полюсам. В результате число их удваивается, а если не отмыть ткани от колхицина до следующего целения, то и учетверяется.
В. В. Сахарову и А. Р. Жебраку первым удалось получить полиплоиды под действием колхицина у хозяйственно важной культуры. Это была гречиха. Тетраплоиды оказались очень крупными, с большими семенами. Далее с ними пришлось повозиться: поначалу они были не очень плодовитыми. Но длительный отбор привел к созданию превосходных тетраплоидных сортов.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ЗНАКОМЬТЕСЬ: ЕЕ ВЕЛИЧЕСТВО ДНК
Мендель и первые его последователи работали на уровне организма: изучали передачу признаков в поколениях. Вслед за тем вместе с цитологами генетики «пробрались» внутрь клетки, занялись ее хромосомами. А далее генетиков заинтересовали бактериофаги и вирусы... Не путь ли это от сложного к простому, не деградация ли в исследованиях? Изучали наследственность высших растений, животных и человека, и вдруг занялись бактериями... Не шаг ли это назад? Нет. Это шаг вглубь. Только изучение бактерий и вирусов, молекулярный уровень подводят нас к познанию: что такое ген? Как он устроен? Не зная этого, не овладеть процессом управления генами, не заглянуть под темную вуаль, прячущую от нас лик ее величества ДНК.
Поиски бактериальных пап и мам
К сожалению, между пишущим и читающим в момент, когда ведется работа над книгой, нет еще обратной связи. Она появляется позже, когда читатели получают книгу в руки. Однако уже сейчас я все же осмеливаюсь предположить, что внимательный читатель из предыдущих глав понял: чтобы изучать, как же родители передают свои признаки потомкам, нужно иметь хотя бы... родителей. А вот у бактерий их долгое время найти не могли. Было известно: бактерии размножаются бесполым путем. Попробуй тут изучить менделирование, составить хромосомные карты!
Однако совсем недавно у бактерий нашлись родители. Работа велась, прежде всего, на кишечной палочке – бактерии, паразитирующей в кишечнике человека. Превосходно живет эта бактерия также в пробирках на искусственных средах. С помощью электронного микроскопа было выяснено, что у нее имеются две формы F+ и F-. Между ними происходит половой процесс, так называемая конъюгация. Конечно, этого оказалось достаточно, чтобы генетики далее уже разобрались. Дело в том, что во время конъюгации хромосомный материал из F+-бактерии переходит постепенно в F--бактерию. Внедрение довольно продолжительно по времени. В опыте процесс можно по желанию прерывать. Таким путем удалось установить не только, в какой последовательности лежат в хромосоме гены, но и на каком расстоянии (в данном случае в единицах времени – минутах, потребных для проникновения) они друг от друга находятся.
Одного этого метода было бы недостаточно, чтобы создать точные хромосомные карты. Но выяснилось, что идет у бактерии и обмен хромосомными участками того же фипа, что и при кроссинговере у дрозофил. Это дало возможность проверить один метод другим. Хромосома у штамма К-12 кишечной палочки кольцевая и гены расположены по окружности.
Однако как же их удается «разглядеть», эти гены? Как практически ведется работа? Заглянем в лабораторию доктора биологических наук С. И. Алиханяна. Навстречу нам идет Виталий Суходолец, молодой исследователь, занимающийся именно этим вопросом. Обратимся-ка мы к нему:
– Будьте добры, расскажите, как вы ловите у кишечной палочки перекресты.
– Элементарно.– Суходолец пожимает плечами: только, мол, этого не хватало: рассказывать общеизвестные вещи.
А дальше он заговорит о тимин– и тимидиннедостаточности, про Hfr-штаммы или, например, так:
– Для определения порядка расположения мутаций проводим реципрокные трехфакторные скрещивания...
Вот тут-то и окажется, что то, что для Суходольца элементарно, для нас с вами, читатели, непостижимо. Однако все эти сложности, труднопроизносимые термины – частности. В принципе же перекресты у кишечной палочки ловят так же, как у дрозофилы.
Бактерию разводят на средах, состоящих из набора различных веществ. Формы, несущие мутантный ген, отличаются от немутантных в большинстве случаев тем, что не могут синтезировать то или иное вещество. И тогда для успешной жизни мутантного штамма это вещество приходится дополнительно вводить в среду. Среды подбирают с таким расчетом, чтобы на них развивались бактерии-перекрестники, т. е. те, у которых прошел кроссинговер.
В генетических лабораториях всегда работают в белых халатах. Однако если для дрозофилиста белый халат всего лишь форма, то для генетика-микробиолога это обязательная одежда. Тут почти всегда нужно соблюдать абсолютную стерильность.
Крутятся центрифуги, сутками качаются культуры в специальных качалках, в лабораториях микробиологов множество термостатов, автоклавов и различных, подчас очень хитрых приборов.
Трансформация
Сейчас уже широко известно: бактерии приспосабливаются к лечебным препаратам. Как бы ни было могущественно лекарство, со временем оно или совсем перестает действовать на бактерии или действует на них слабее. Раньше полагали, что бактерии попросту привыкают к лекарству. Позже точными опытами выяснили, что это не так. Среди миллионов бактерий находятся единицы, а может быть, и единица, где возникла мутация, обуславливающая стойкость к препарату. Легко понять, что немутатные бактерии гибнут, а мутатные выживают и начинают размножаться. Именно так возникли пневмококи, устойчивые к стрептомицину.
В опыт взяли бактерии, устойчивые и неустойчивые к стрептомицину. Бактерии стрептомициноустойчивые убивали и размельчали. Затем в среду, содержащую убитые и размельченные бактерии, пускали бактерии неустойчивые. И тогда с ними происходили странные изменения: от своего мертвого предшественника они воспринимали нехватающее им свойство, делались стрептомициноустойчивыми!
Результаты заинтересовали ученых, и поэтому они продолжили опыты, но уже в других вариантах. При помощи фильтрации и прочих приемов обработки из убитых, устойчивых к стрептомицину бактерий извлекали чистую ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту). И оказалось, что при воздействии ею, как и при воздействии размельченными бактериями, неустойчивые по отношению к стрептомицину бактерии становятся устойчивыми.
Через ДНК они воспринимают от мертвого предшественника свойственный ему ген и включают его в свой генотип.
Это явление получило название трансформации. Оно показало: носителем наследственной информации является ДНК.
На грани живого и неживого
Написал заголовок и сразу же усомнился в его правильности. Очень уж исторически неустойчива она, эта грань. Некогда простейшими из живых существ люди считали сложно устроенных губок и кишечнополостных.
Потом благодаря изобретению микроскопа открылось человеческому глазу чудо микробного мира. Сколько с тех пор прошло времени? Не так уж много. А мы уже знаем вирусов и бактериофагов и именно их принимаем сейчас за простейшие проявления жизни. И, конечно, не можем быть уверены в том, что через сто или двадцать лет наука не обнаружит что-то еще более простое и более загадочное.
По поводу вирусов до сих пор идут споры: что это – живое или неживое?
Микроскопически малые размеры (чтобы рассмотреть их, требуется увеличение в 100000 раз), загадочное свойство переходить в кристаллическое состояние и пребывать в нем неограниченно долго – право же есть в вирусах немало удивительного!
Для генетики вирусы интересны чрезвычайно. Особенно бактериофаги.
Ни один из вирусов не в состоянии существовать самостоятельно, вне клетки того или иного хозяина. При этом вирусы поступают с хозяином безжалостно: изменяют ход обычных реакций, вынуждая производить не новые клетки собственного тела, а новые частички вирусов. Проследить это можно на бактериофагах – вирусах, «нападающих» на бактерии, вступающих с ними в сложнейшие взаимоотношения.
Фотография фага под электронным микроскопом показывает, что частица его состоит из сравнительно округлой головки и вытянутого в трубку хвостика. Однако при более тщательном изучении выясняется, что сравнение с головастиком крайне неубедительно. Это скорее шприц, где «хвостик» – игла. Протыкая в онределенном месте тело бактерии, фаг «впрыскивает» в нее свое содержимое. А содержимое – это не что иное, как нуклеиновая кислота – вещество, ответственное за генетическую информацию. Этот «заряд» ДНК заключен в белковую капсулу. Интересно, что для заражения бактерии нужна лишь ДНК. Белок не входит в бактериальную клетку. Специальными опытами показано, что его можно полностью удалить и заражение произойдет без него.
Попав в клетку, ДНК фага подавляет синтез нуклеиновой кислоты бактерии и превращает бактериальную ДНК в фаговую.
Схема бактериофага.
Не всегда, напав на бактерию, фаг уничтожает ее, воссоздавая собственные частицы. Иногда процесс происходит иначе, и вот эти-то случаи особенно интересны. Нуклеиновая кислота фага, попав в клетку, не начинает тотчас же свою разбойничью деятельность. Напротив, она прикрепляется к бактериальной хромосоме, образуя так называемый профаг. Он ведет себя скромно, уподобляясь новому гену бактерии: делится вместе с бактериальной хромосомой. Его даже можно нанести на бактериальную хромосомную карту. При постоянных внешних условиях такого рода бактерии могут существовать практически бесконечное числе поколений: они, попросту говоря, включили в свой генотип дополнительно еще генотип фага. Но в то же время такая бактерия несет в себе как бы заряд взрывчатки. При изменении условий происходит «взрыв», фаг становится хозяином положения, и бактерия распадается, образуя фаговые частицы. При этом совершаются очень интересные вещи. Не только формируются в большом числе генотипы бактериофага, но отдельные фаговые частицы захватывают, включают в себя, в состав своей оболочки и генотипа куски хромосомы бактерии. Понятно, что когда такие фаги заражают новые клетки, они приносят туда не только свой собственный, но дополнительно и бактериальный генетический материал. Далее между профагом и бактериальной хромосомой может произойти перекрест, и бактерия получит новые гены. Это явление называют трансдукцией. Отсюда уже нетрудно сделать заключение, что взаимоотношение фага с бактерией не только взаимоотношение жертвы и хищника. Нет, они много сложнее: этим способом переносится информация, осуществляются генетические перекомбинации. В меняющихся условиях жизни это для бактериального вида оказывается очень важным.
Ее величество ДНК
В то время как генетики-микробиологи ставили свои поистине сенсационные опыты с бактериями и бактериофагами, показавшие, что хромосома есть не что иное, как очень длинная полимерная молекула ДНК, биохимики штурмовали ту же проблему с другой стороны. Изучали химическое строение хромосомы.
Полимерная цепочка – молекула ДНК– всегда имеет форму нити, слагающейся из очень большого числа отдельных элементов – нуклеотидов. Последние, в свою очередь, тоже сложно устроены, однако каждый из них состоит из трех составных частей: основания, углеводного компонента (сахара) и фосфорной кислоты. Соединены они между собой всегда следующим образом:
Основание ............. Сахар ............. Фосфорная кислота
Разные нуклеотиды соединены между собой в ДНК путем чередования углевода и фосфорной кислоты, а основания всегда лежат сбоку. При этом сахар и фосфорная кислота по всей длине цепочки одинаковы, в то время как основания здесь четырех типов: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Для простоты их обозначают буквами А, Ц, Г и Т. В разных ДНК эти основания расположены в различной последовательности, а поскольку длина полимерной цепочки очень велика, образуется практически бесконечное число различных типов ДНК, несущих разную генетическую информацию. Ее величество многолика! Через нее осуществляется передача наследственной информации у всего живого: от вирусов до человека.
На рисунке изображена модель химического строения ДНК, созданная Уотсоном и Криком. Молекула ДНК состоит из двух нитей, которые соединены между собой через основания. И если в каждой из нитей комбинации четырех оснований могут быть самыми различными, то соединения между нитями возможны лишь парные. «Перекладины» могут быть образованы только так: аденин (А) соединяется всегда с тимином (Т), а гуанин (Г) – с цитозином (Ц). Подобная упорядоченность очень важна. Так, например, если участок одной из нитей будет содержать основания в последовательности: ГГАТЦТТА, то противолежащий ему участок второй нити обязательно будет ЦЦТАГААТ. Только таким образом могут соединиться пары.
Модель строения ДНК (по Уотсону и Крику).
А вот теперь разберемся в генетическом смысле модели Уотсона – Крика. Мы уже знаем, что для передачи генетической информации из поколения в поколение совершенно необходимо, чтобы ее величество в точности воспроизводила себе подобную нуклеиновую кислоту. Модель Уотсона – Крика вполне соответствует этой задаче, объясняет, каким же путем происходит удвоение хромосом перед клеточным делением. Забудем на минуту о сахаре и фосфорной кислоте, благо, по всей длине молекулы (значит, и хромосомы) они одинаковы. Изобразим модель ДНК упрощенно, в виде цепочки из оснований.
Теперь допустим, что обе нити разделились и между основаниями образовались свободные связи. В то же время предположим, что в окружающей молекулу ДНК среде имеются свободные нуклеотиды. По химическим законам свободные связи будут стремиться к замещению. Около каждой из разделившихся нитей образуется связанная с ней нить-антипод.
Схема синтеза белков.
В результате молекула ДНК удвоится, причем первоначальная последовательность в ней нуклеотидов будет в точности соблюдена. Каждая из нитей по отношению к другой представляет собой как бы негатив по отношению к позитиву. С каждого из негативов может быть напечатан позитив – нить в результате удвоится. И уж совсем просто можно представить молекулу ДНК в виде короны ее величества, только разрезанной и распрямленной в пластинку. Зазубрины короны – это форма, шаблон. А по шаблону отливается его антипод – такая же пластина, только иначе направленная.
Ученые считают, что сходная картина имеет место при синтезе белков. Белки отличаются один от другого последовательностью и составом входящих в них аминокислот. Синтез белков наглядно изображен на схеме. Происходит он в цитоплазме клетки, в так называемых рибосомах. Информация от ДНК поступает сюда в виде длинных молекул рибонуклеиновой кислоты РНК. Эти молекулы образуются на ДНК, как на матрице, и отличаются от соответствующих участков ДНК тем, что в состав РНК входит другой сахар. Но кроме этой, так называемой информационной РНК, есть еще другая РНК, растворимая, низкомолекулярная – ее молекулярный вес 25000—30000. «Ничего себе низкомолекулярная», – скажет читатель. Однако сравните: молекулярный вес информационной РНК 250000—500000, то есть в десять и более раз больше. Растворимая РНК как бы подтаскивает в рибосому нужные кислоты, а там уже, на информационной РНК, происходит в соответствии с наследственным заданием синтез белка.
Ученые создавали в пробирке модель этой схемы. В ее состав входил полный набор аминокислот, рибосомы, растворимая РНК, а также искусственно полученные фрагменты информационной РНК. В таких условиях удавалось добиться синтеза простейших белков.
