ГЕН (греч, genos род, происхождение) — единица структурной и функциональной наследственности, представляющая собой отрезок молекулы дезоксирибонуклеиновой к-ты, у некоторых вирусов — рибонуклеиновой к-ты.
Факт существования Г. установил Г. Мендель в своих опытах по скрещиванию различных сортов гороха. Его классическая работа «Опыты с растительными гибридами» («Versuche uber Pflanzen-Hybriden») была опубликована в 1866 г. Изучая гибриды растений, родительские формы которых отличались друг от друга по одному, двум или трем признакам, Мендель пришел к заключению, что любые признаки организма определяются факторами, которые передаются от родителей к потомкам через половые клетки, и что эти факторы при скрещивании не дробятся, а передаются как нечто целое независимо друг от друга., Появление разных признаков обусловлено различным сочетанием наследственных факторов, причем частоту появления каждого признака можно предсказать, зная, как он наследуется.
Однако открытие Менделя прошло незамеченным. Только в 1900 г. голл. биолог X. де Фрис и нем. селекционер Корренс (К. Correns) опубликовали статьи, в которых подтверждали результаты и теоретические выводы Менделя.
В 1909 г. дат. биолог Иогансен (W. Johannsen) предложил для открытых Менделем наследственных факторов термин «ген», для совокупности всех Г. организма — термин «генотип», для признака, который определяется одним Г.,— термин «фен», а для совокупности всех признаков организма — термин «фенотип» (см. Генотип).
В последней четверти 19 в. было высказано предположение, что важную роль в передаче наследственных факторов играют хромосомы (см.), а в 1902—1903 гг. амер. цитолог Саттон (W. S. Sutton) и нем. биолог Бовери (Th. Boveri) представили цитол. доказательства того, что установленные Менделем законы передачи и расщепления признаков можно объяснить перекомбинированием материнских и отцовских хромосом при скрещивании.
В 1911 г. работами Т. Моргана с сотр. было показано, что Г. представляет собой часть хромосомы (см. Хромосомная теория наследственности). Сосредоточенные в одной хромосоме Г. передаются от родителей потомкам совместно, как одна сцепленная группа. Число групп сцепления для любого нормального организма постоянно и равно гаплоидному числу (т. е. одинарному набору) хромосом в его половых клетках. После того как удалось показать, что гомологичные хромосомы в кроссинговере, т. е. в обмене гомологичными участками гомологичных хромосом (см. Рекомбинация, хромосом), способны обмениваться друг с другом своими участками — блоками генов, Т. Морган провел анализ внутрихромосомной локализации Г. и показал, что Г. располагаются в хромосоме линейно и что каждый из них занимает строго определенное место в соответствующей хромосоме. Позже карты расположения Г. по длине хромосомы (см. Хромосомная карта) были составлены для ряда животных (мыши, куры, дрозофилы и др.), растений (кукуруза, томаты и др.), бактерий и вирусов. В связи с развитием методов генетики соматических клеток стало возможным составление хромосомных карт человека, которые продолжают интенсивно разрабатываться и поныне.
В первой четверти 20 в. считали, что Г. — это конечная неделимая единица наследственности, к-рая при мутации (см.) изменяется скачком, целиком переходя в другое, столь же элементарное состояние, т. е. что этот процесс напоминает явление изомерии. Считалось также, что кроссинговер — это механический обмен гомологичными участками хромосом и что разрыв хромосом может происходить только в межгенном пространстве, а внутригенные разрывы невозможны. Функции соседних Г. в хромосоме считались независимыми друг от друга. Никаких элементов биохим, функциональной организации в хромосоме не было отмечено. Объединение Г. в хромосомные комплексы рассматривалось как результат отбора по признаку совершенства передачи Г. при делении ядра. Т. о., представление о Г. в этот период сводилось к тому, что Г.— это элементарная генетическая единица структуры, функции, рекомбинации и мутации.
В 1929—1934 гг. Н. П. Дубинин, А. С. Серебровский и др. впервые выдвинули и экспериментально подтвердили идею о сложном строении Г., согласно к-рой Г. представляет сложную систему со своей особой внутренней организацией и сложностью функций. Ранее считалось, что при взаимодействии двух аллелей (см.), т. е. двух различных форм одного и того же Г., проявление одного аллеля может быть определено как доминантное, как промежуточное либо как рецессивное (см. Доминантность). При изучении взаимодействия аллелей в занимаемом Г. scute-achaete участке хромосомы (локусе) у дрозофил авторы обнаружили, что по одной группе признаков данный аллель рецессивен, а по другой — доминантен.
Для обозначения этого явления был предложен термин «ступенчатый аллелизм», ибо авторы исследования полагали, что в гетерозиготах аллели перекрывают друг друга как ступени лестницы. В последующем это явление получило название комплементации (см. Мутационный анализ).
В 1957 г. амер. генетик Бензер (S. Benzer), используя метод комплементации, предпринял попытку картирования мутаций в двух рядом расположенных генах А и В области r II фага Т4. Мутанты r (англ. rapid быстрый), выделенные в 1948 г. исследователями A. Xерши и Ротман (R. Rotman), отличались от нормальных форм фагов большим размером стерильных пятен на газоне E. coli К. В свою очередь все мутанты были подразделены на области rI, rII, rIII. При скрещивании двух разных мутантов г вследствие кроссинговера изредка возникали нормальные частицы фага. Сами по себе мутанты r II не были способны развиваться на газоне E. coli К, в То время как нормальные частицы фага размножались на газоне этого штамма. Эта особенность и была использована Бензером для отбора рекомбинантов. В результате проделанной работы Бензер определил 200 мутационных точек в пределах гена А и 180 точек в пределах гена В. Мутационные точки внутри Г. он обозначил термином «сайт» (англ. site место, участок). Все 380 сайтов обоих Г. располагались в линейном порядке.
Все это свидетельствовало о том, что Г. состоит из отдельных частей, расположенных по его длине в линейном порядке. Расположенные в пределах Г. участки могут мутировать независимо, и разные части мутируют с разной частотой, некоторые из них обладают максимальной мутабельностью, являясь внутри Г. как бы «горячими точками». Следовательно, Г. не является единицей мутации. Кроме того, стало ясно, что Г. не является единицей рекомбинации, поскольку кроссинговер может проходить внутри Г. Таким образом, Г., будучи единицей функции в метаболизме клетки, вместе с тем первично сложен, поскольку действие Г. в целом обусловливается интеграцией функций его отдельных частей.
В связи с тем, что используемые ранее для определения Г. такие понятия, как мутация, рекомбинация и функция, не совпадают друг с другом, Бензер предложил ввести новые обозначения. Элементарную единицу, не делимую путем рекомбинации, он предложил обозначать термином «рекон»; наименьший участок Г., изменение к-рого может привести к возникновению мутации, называть «мутон». Размеры мутона и рекона у фага Т4 соответствуют одной паре нуклеотидов. Участок хромосомы, который определяет одну функцию, Бензер предложил обозначать термином «цистрон» (слово происходит от сочетания терминов цис- и транс-положение). Однако с развитием молекулярной генетики термин «цистрон» получил более конкретное определение. Им обозначается функциональная единица генетического вещества, управляющая синтезом определенного белка или его субъединицы (полипептидной цепи). Сложное строение Г. очевидно. Однако Г. как единица наследственной информации остается функционально . неделимым, т. е. он является дискретной единицей функциональной и структурной наследственности.
До 1944 г. господствующим в науке было мнение, что Г.— это молекулы белка, В 1944 г. Эйвери (О, Т. Avery, 1877—1955), Мак-Лауд (С. М. Macleod) и Мак-Карти (М. McCarty), изучая . причину появления вирулентности у авирулентных штаммов Diplococcus pneumoniae при одновременном заражении мышей инактивированным теплом, вирулентным и живым авирулентным штаммами диплококков (см. Трансформация), пришли к выводу, что материальную основу наследственности Diplococcus pneumoniae составляют молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (см.). Последующие исследования показали, что нуклеиновые к-ты, ДНК (или для некоторых вирусов РНК) составляют материальную основу наследственности для всех организмов. В 1953 г. англ. ученый Ф. Крик и амер. ученый Дж. Уотсон предложили модель строения молекулы ДНК, позже подтвержденную экспериментально, согласно к-рой ДНК состоит из двух комплементарных (т. е. взаимодополняющих) полинуклеотидных цепей, закрученных в спираль вокруг общей оси. Цепи удерживаются друг против друга водородными связями, которые образуются только между строго определенными основаниями (в каждой паре одно основание должно быть пуриновым, а другое — пиримидиновым): т. е. между аденином (А) и тимином (Т)— пара АТ, а цитозином (Ц) и гуанином (Г)— пара ГЦ. Строгое соответствие друг другу оснований двух цепей молекулы ДНК является отправным пунктом матричного механизма воспроизведения генетического материала в процессе деления клетки и, в конечном итоге, передачи потомкам особенностей строения участка ДНК, заключенного в данном Г. Синтез Г., происходящий в рамках более крупных структур — хромосом, возможен только при наличии другого Г., который служит матрицей. Процесс воспроизведения генетического материала очень точен, и ошибки в нем (мутации) происходят крайне редко. Этот процесс называют аутокаталитической функцией Г. , или ауторепродукцией, а способность Г к самовоспроизведению — репликацией (см. Репродукция хромосом, Репликация).
Функция
Функция Г. заключается в образовании специфического признака. Однако обнаружить такой Г. можно только тогда, когда он встречается в альтернативных аллельных формах, оказывающих различное влияние на один и тот же признак. Удаление Г. или его изменение приво-дит соответственно к потере этого признака или к его изменению. Любой признак организма является результатом взаимодействия Г. с окружающей и внутренней средой. Окружающая среда — это совокупность внешних факторов, влияющих на развитие особи в данных условиях ее существования; внутренняя же, генотипическая среда определяется влиянием друг на друга всех Г. набора. Сохранение характерного проявления Г. обусловлено сохранением условий внутренней и окружающей среды. Действие Г. может проявляться гл. обр. в отношении какого-либо одного признака (монотропия), или же один и тот же Г. может принимать участие в формировании нескольких признаков (см. Плейотропия). В свою очередь в формировании одного признака могут принимать участие несколько Г. (полимерия). Полимерные Г. могут действовать независимо либо взаимосвязанно, дополняя действие друг друга. В силу этого внешне простое различие в фенотипе двух особей не означает только различия в их генотипах, а может быть результатом участия многих генов (явление полигении).
Действие Г. может быть сведено к следующим моментам: а) прямое действие, когда Г. контролирует синтез конечного продукта полностью (напр., Г. антигенной специфичности, Г. самостерильности); б) комплексное взаимодействие с другими Г., когда один Г. ответствен за синтез исходного материала, необходимого для функционирования другого Г.; в) кооперативное взаимодействие, когда продукты двух или более Г. непосредственно взаимодействуют, синтезируя конечный продукт; г) конкурентные отношения, когда Г. конкурируют за необходимый им продукт; д) дуплицированное (параллельное) взаимодействие, когда два (или более) Г. обеспечивают синтез одинакового конечного продукта.
Выражение Г. определяется степенью проявления у особи признака, контролируемого данным Г. (так наз. экспрессивность гена). Даже в пределах родственной группы особей, находящихся в сходных условиях существования, проявление одного и того же Г. может быть неодинаково по частоте или вероятности. Процент особей родственной группы организмов, у которых выражен признак, определяемый данным Г., характеризует проявление, или пенетрантность гена (см.).
Г. не является отдельными, совершенно независимыми в своем проявлении друг от друга единицами. Действие Г. может быть изменено в том случае, если произошла структурная перестройка, вырвавшая Г. из его привычного окружения в хромосоме.
Взаимодействие двух Г., принадлежащих к разным парам аллелей, при к-ром доминантный аллель одной из пар подавляет проявление доминантного аллеля другой пары, носит название «эпистаз». Так, ген А может эпистазировать над геном В., который оказывается гипостатичным по отношению к гену А.
В 1925 г. Стертевант (A. H. Sturtevant) при изучении гена Bar (узкие глаза) у дрозофил обнаружил явление, к-рое получило название эффект положения гена. В 1934 г. Н. П. Дубинин и Б. Н. Сидоров, изучая ген +ci (нормального строения крыла) у дрозофил, обнаружили, что перенос аллеля +сi в другую хромосому, а следовательно, изменение генного окружения, ведет к потере у него свойства доминантности. Т. о., такое важное свойство, как доминантность, вырабатываемое в процессе эволюции, может быть изменено в силу эффекта положения Г. Изменение проявления Г. как следствие эффекта положения Г. обратимо, т. е. эффект положения Г. при структурных изменениях хромосом не является стойким изменением структуры Г. типа мутаций.
В 1941 г. Холдейн (J. В. S. Haldane), изучая эффект положения псевдоаллелей, по аналогии с химией ввел в генетику понятие о цис- и транс-положениях. Напр., гетерозиготы по генам а и b могут иметь либо цис-, либо транс-конфигурацию, т. е. в первом случае a+/+b, а во втором ++/ab. Анализ функциональных взаимоотношений Г. в условиях цис- и транс-положения показал зависимость в проявлении некоторых функционально связанных соседних Г.
Центральным моментом во всей проблеме действия Г. является программирование им синтеза белка. Сам Г. не принимает непосредственного участия в синтезе полипептидной цепи, который осуществляется в особых субклеточных структурах — рибосомах. Одна из двух комплементарных друг другу цепей ДНК гена служит матрицей для синтеза информационной (матричной) РНК (иРНК), который осуществляется при участии фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Т. о., последовательность оснований ДНК (вернее одной ее нити) копируется последовательностью оснований иРНК, а затем РНК действует в качестве генетической матрицы, управляя процессом соединения аминокислот в полипептидные цепи. Матричную функцию ДНК называют гетерокаталитической функцией Г. или гетеросинтезом. Процесс воспроизведения последовательности нуклеотидов ДНК в молекуле иРНК называется транскрипцией (см.). Даунс (A. Dounce) в 1952 г. и Гамов (G. Gamow) в 1954 г. независимо друг от друга высказали мысль, что порядок расположения нуклеотидов в ДНК определяет порядок включения аминокислот в полипептид. Позднее было доказано, что включение одного аминокислотного остатка контролируют три последовательно расположенных нуклеотида (триплет). Было показано также, что между чередованием нуклеотидов в молекуле ДНК и последовательностью аминокислотных остатков в строящемся полипептиде соблюдается строгое соответствие — так наз. колинеарность ген — белок. Процесс воспроизведения последовательности нуклеотидов иРНК в последовательности аминокислот строящейся полипептидной цепи называется трансляцией (см.).
Триплет последовательно расположенных нуклеотидов является кодирующей единицей Г. Она определяет включение одной аминокислоты в полипептидную цепь и обозначена термином «кодон».
Принципы генетического кода, установленные для ДНК в опытах с бактериофагами, бактериями и животными, вполне приложимы и к вирусам, материальную основу наследственности которых представляет рибонуклеиновая к-та. Включение аминокислот в белок капсида вируса кодируют те же триплеты, свойственные ДНК, с единственным отличием, к-рое состоит в замене тимина на урацил. Последовательность нуклеотидов в кодонах, кодирующих включение всех аминокислот в полипептидную цепь, установлена (см. Генетический код). Линейный размер Г. связан с длиной полипептидной цепи, строящейся под его контролем.
В 1969 г. Беквит (J. R. Beckwith) с сотр., используя способность некоторых бактериофагов переносить фрагменты хромосомы инфицируемой ими бактериальной клетки в другие бактериальные клетки, так наз. трансдукции (см.), выделили в чистом виде индивидуальный Г. кишечной палочки, точно определили его размеры и сфотографировали с помощью электронного микроскопа. В 1967— 1970 гг. X. Корана с сотр. осуществил хим. синтез индивидуального гена.
Установлено, что Г. в среднем содержит 1000—1500 нуклеотидов, что соответствует 0,0003—0,0005 мм.
В некоторых случаях первичное действие Г. ограничено только процессом транскрипции (т. е. синтезом РНК на ДНК). К таким случаям относится синтез молекул транспортной РНК (тРНК) и рибосомальной РНК (рРНК).
По локализации различают Г. аутосомные и сцепленные с полом. Аутосомные Г. локализованы во всех хромосомах (аутосомах), за исключением половых. Половая Х-хромосома человека состоит из двух частей: одна из этих частей специфична для Х-хромосомы, а другая гомологична соответствующему участку половой Y-хромосомы. В X-хромосоме Г. может быть локализован в сегменте, негомологичном Y-хромосоме (абсолютное X-сцепление), а в Y-хромосоме — негомологичном X-хромосоме (абсолютное Y-сцепление), или же Г. могут располагаться в гомологичных сегментах X- й Y-хромосом (неполное сцепление с полом).
Важнейшей стороной современного учения о Г. является вопрос о способах регуляции функции Г. Механизм регуляции наиболее полно изучен у бактерий. В 1961 г. франц. генетики Ф. Жакоб и Моно (J. Моnod) пришли к заключению, что существует две группы Г.: структурные и регуляторные. Структурные Г. определяют последовательность аминокислот в полипептиде. Регуляторные Г. осуществляют контроль активности структурных Г., который заключается в программировании синтеза специфических веществ белковой природы, так наз. репрессоров. Репрессоры в чистом виде были выделены в 1967 г. амер. ученым Пташне (М. Ptashne) с сотр. (репрессоры фага X и lac-оперона E. coli). Репрессор специфически связывается с областью, расположенной в самом начале серии структурных Г. Эта небольшая область ДНК получила название «оператор». Оператор не кодирует синтез какого-либо продукта, а является участком, который взаимодействует с репрессором, в результате чего целая серия структурных Г. может быть выключена. В системе регуляции выделен еще один элемент, получивший название «промотор»,— участок, к к-рому присоединяется РНК-полимераза. Нередко оператор и промотор регулируют активность нескольких располагающихся в хромосоме рядом структурных Г., связанных общностью последовательных биохим, реакций (ферменты, катализирующие цепь последовательных реакций). Совокупность структурных (ого) генов (а) с оператором и промотором называется опероном (см.). Выделяют особую категорию Г.— так наз. интегрирующих Г., которые обеспечивают интеграцию белков в клеточные структуры. К категории Г. общего значения относят Г., обеспечивающие своевременное включение функций Г. в процессе онтогенеза, что позволяет регулировать дифференцировку и в то же время единство процессов развития.
Помимо Г., локализующихся в хромосомах, обнаружен комплекс внехромосомных Г., которые подчиняются менделевским законам наследования (см. Менделя законы). Эти Г. связаны с цитоплазматическими структурами клетки (пластидами, митохондриями и др.). Комплекс внехромосомных Г., определяющих совокупность генетических свойств цитоплазмы у данного вида, называют плазмоном, а комплекс хромосомных Г.— геномом (см.), Внехромосомные Г. могут находиться в составе эписом (см.), для которых характерна способность интегрироваться с хромосомой. Г., находящиеся в цитоплазме и лишенные возможности интегрироваться, получили название плазмид (см.).
Проблема внехромосомной наследственности получает все большее практическое значение, ибо с ней связано формирование лекарственной устойчивости, токсигенных и иммуногенных свойств микробов.
Развитие теории Г. проходило в тесной связи с разработкой учения о материальных носителях наследственности и учением о мутациях.
Главной проблемой современного учения о молекулярной природе Г. является разработка структурно-биологических принципов. Г. представляет собой не только отрезок молекулы ДНК, но, кроме того, осмысленную, исторически созданную, сложную микросистему. Строение и функционирование этой системы имеет адаптивный характер, обеспечивая жизнедеятельность клетки и организма в целом. Проблема управления процессом изменчивости Г., задача направленного мутагенеза должны решаться на основе знания природы Г. как молекулярно-биологической системы. Теория Г. составляет основу нового направления — генетической инженерии, к-рое исключительно перспективно для решения ряда проблем медицины (см. Генная инженерия). Генетическая (генная) инженерия — это прикладная молекулярная и клеточная генетика, т. е. операции с простыми биол, системами (молекулы биополимеров и клетки), имитирующие in vitro природные процессы наследственности. Конечной целью генной инженерии является создание с помощью лабораторных приемов организмов с новыми наследственными свойствами. Манипуляции генной инженерии сводятся к получению фрагментов ДНК, их гибридизации и введению в реципиентную клетку, молекулярному клонированию и размножению этих молекул. Можно предвидеть, что введением нормальных Г. в больной организм можно будет лечить генетически обусловленные болезни — эндокринные и психические заболевания, энзимопатий и др. (см. Генотерапия).
Библиография: Гершкович И. Генетика, пер. с англ., М., 1968; Дубинин Н. П. Общая генетика, М., 1976, библиогр.; Ичас М. Биологический код, пер. с англ., М., 1971, библиогр.; Pатнeр В. А. Принципы организации и механизмы молекулярно-генетических процессов, Новосибирск, 1972, библиогр.; Стент Г. Молекулярная биология вирусов бактерий, пер. с англ., М., 1965; он же, Молекулярная генетика, пер. с англ., М., 1974; Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1967; Финчем Дж. Генетическая комплементация, пер. с англ., М., 1968, библиогр.; Харрис Г. Основы биохимической генетики человека, пер. с англ., М., 1973, библиогр.; Carlson E. A. The gene, a critical history, Philadelphia — L., 1966, bibliogr.; Gardner E. J. Principles of genetics, N. Y.— L.t 1972, bibliogr.
H. П. Дубинин.
