МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА

Молекулярная генетика (позднелат. molecula, уменьшительное от лат. moles масса; генетика) — раздел генетики, предметом к-рого является изучение наследственной детерминации биологических функций на молекулярном уровне. Методы Молекулярной генетики применяются в диагностике нек-рых наследственных болезней человека, а также в селекции высокопродуктивных штаммов микроорганизмов (напр., при производстве антибиотиков). Молекулярная генетика открывает перспективы направленного изменения природы организмов. Благодаря успехам М. г. появилась новая область биологии — генная инженерия (см.), возможности к-рой настолько широки, что позволили заставить бактерии синтезировать пептидные гормоны животного происхождения, напр, брадикинин, и даже гормон человека — инсулин. Мутационные системы, разработанные М. г., широко применяют для выявления мутагенной активности антропогенных факторов окружающей среды: лекарственных средств, пищевых добавок, пестицидов, используемых в сельском хозяйстве, и т. д. Успехи М. г. позволяют проводить планомерный поиск веществ-антимутагенов, противолучевых и противораковых препаратов, а также противовирусных агентов.

Появлению М. г. способствовали открытия, сделанные в четырех, в известной степени независимых областях биологии.

1. Доказательство сложного строения гена (см.) благодаря работам, начатым в нашей стране еще в конце 20-х — начале 30-х гг. 20 в. школой А. С. Серебровского.

2. Установление роли генов Дж. Бидлом и Тейтемом (E. L. Tatum) в синтезе специфических белков-ферментов.

3. Доказательство генетической роли нуклеиновых к-т и установление строения дезоксирибонуклеиновой к-ты Дж. Уотсоном и Ф. Ириком в 1953 г. (см. Дезоксирибонуклеиновые кислоты), что позволило сформулировать гипотезу о способе записи наследственной информации и ее воспроизведения на молекулярном уровне.

4. Доказательство определяющей роли первичной структуры (т. е. последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи) в формировании вторичной и третичной структуры белка и тем самым— в проявлении специфической ферментативной активности; впервые это было убедительно доказано Сенгером (F. Sander) в 1957 г. и подтверждено в том же году Ингремом (V. М. Ingram).

Начало развития М. г. как раздела биологии (см.) следует связывать с объединением исследований в перечисленных областях. Это объединение произошло в середине 50-х гг. 20 в. и привело к представлениям о том, что гены соответствуют участкам молекулы ДНК, в к-рых путем чередования пар нуклеотидов закодирована первичная структура белков-ферментов.

Нарушения чередования нуклеотидных пар в гене — мутации приводят к изменению первичной структуры кодируемого ими белка и т. о. влияют на его активность.

Прежде методической основой Молекулярной генетики являлось изучение аномальных белков — продуктов мутантных генов. Начало исследованиям такого рода в медицине было положено изучением аномальных гемоглобинов при наследственных анемиях. Анализ первичной структуры измененных белков позволил точно локализовать мутационные изменения в структурных генах. Дальнейшее развитие М. г. привело к возможности непосредственного изучения строения ДНК индивидуальных генов. Для этого используют совокупность методов, к-рыми оперирует генная инженерия. Это — клонирование рекомбинантной ДНК, картирование генов с помощью рестрикционных эндонуклеаз, гибридизация с индивидуальными информационными РНК или их копиями. Применение этих методов позволило точно установить положение и размер нарушений в глобиновых генах при талассемиях и сходных с ними наследственных заболеваниях.

Одним из достижений М. г. явилось подтверждение предположения о том, что единицей наследственной информации является именно ген (см.). В конце 50-х гг. 20 в. Бензер (S. Benzer) использовал цис-транстест, предложенный в 1951 г. Льюисом (Е. Lewis), для определения аллелизма мутаций. В соответствии с этим тестом две сцепленные мутации испытывают в гетерозиготе в двух положениях по отношению друг к другу: в цис-положении (лат. cis рядом), когда обе мутации приходят в гибрид от одного из родителей, в результате чего они находятся на одной из двух гомологичных хромосом, и в транс-положении (лат. trans через), когда мутации приходят в гибрид от разных родителей, в результате чего они находятся на разных гомологичных хромосомах. Если две мутации обнаруживают цис-транс-эффект, а именно, находясь в цис-положении, обусловливают нормальный или дикий фенотип, а находясь в транс-положении,— мутантный фенотип гибрида, то их относят к одной функциональной единице (цистрону). Если же исследуемые мутации не обнаруживают цис-транс-эффекта и в обеих конфигурациях обусловливают дикий фенотип, то их относят к разным функциональным единицам (цистронам).

Однако открытие межаллельной комплементации, сущность к-рой заключается в восстановлении дикого фенотипа при сочетании в транс-положении двух аллельных мутаций, обусловливающих каждая сама по себе (в гомозиготе или в гаплоиде) мутантный фенотип, заставило сделать вывод, что критерий аллелизма (см. Аллели), так же как и рекомбинационный критерий, является относительным. Строгое определение принадлежности мутаций к одному или разным генам стало занятием трудоемким, но отнюдь не безнадежным .

Молекулярная генетика исследует способ записи генетической информации (см. Генетический код), а также генетический контроль таких процессов, как редупликация (см. Репликация), рекомбинация (см.), репарация, транскрипция (см.). Она изучает созревание и модификацию продуктов транскрипции и трансляции (см.), синтеза полипептидных цепей по матрице информационной РНК (иРНК). М. г. изучает также генетический контроль посттрансляционной модификации полипептидов и последующего формирования четвертичной структуры белков и мультиферментных комплексов (см. Ферменты) .

Достижения М. г. в изучении действия гена касаются выяснения механизма транскрипции и регуляции действия гена на уровне транскрипции, а также в изучении трансляции, т. е. механизма синтеза белка. Объединение методов генетики и биохимии позволило выяснить сложное субъединичное строение фермента ДHК-зависимой РНК-полимеразы, осуществляющей транскрипцию, и определить роль различных субъединиц этого фермента в инициации и терминации синтеза молекул РНК. Синтез генетических методов и методов биохимии позволил установить тот факт, что у различных бактерий РНК-полимераза может иметь разное строение, а субъединичный состав этого фермента изменяется в процессе развития бактериальной культуры. В 70-е гг. 20 в. благодаря выделению отдельных генов и продуктов их транскрипции и возможности сравнения первичной структуры ДНК и соответствующей информационной РНК обнаружены различия в структуре генов и в механизме образования информационной РНК у прокариотов и эукариотов. Оказалось, что информация о структуре какого-либо белка у бактерии переписывается на информационную РНК со всей ДНК гена, в то время как в информационной РНК эукариотов часто отсутствуют копии целых участков гена длиной от десяти до нескольких сот нуклеотидов. Таких участков, получивших название интронов, в пределах гена может быть один или несколько. Напр., ген, кодирующий синтез иммуноглобулина мыши, содержит один интрон длиной 93 нуклеотида, а ген, кодирующий овальбумин курицы, содержит 7 интронов длиной каждый ок. 700 нуклеотидов.

Нек-рые продукты транскрипции у прокариотов и эукариотов проходят несколько этапов созревания. Этот процесс хорошо изучен для РНК, являющихся предшественниками транспортных РНК и рибосомные РНК. Такие РНК-предшественники укорачиваются, нек-рые их азотистые основания модифицируются, напр, метилированием, и только затем превращаются в зрелые макромолекулы, способные выполнять свои специфические функции в процессе синтеза белка.

Регуляция действия гена на уровне транскрипции у бактерии происходит в системе оперонов (см. Оперон). Общая схема работы оперона была предложена в 1961 г. Ф. Жакобом и Моно (J. Monod). Оперон, представляющий собой единицу транскрипции, состоит обычно из нескольких генов, контролирующих близкие или последовательные этапы метаболизма. Т. о., у бактерии гены, ответственные за близкие функции, тесно сцеплены. Однако у низших эукариотов (грибов, водорослей) и многоклеточных организмов гены, контролирующие близкие функции, разбросаны по всему геному (см.) и часто находятся даже в разных хромосомах. Это говорит о том, что регуляция действия гена у эукариотов осуществляется чаще всего на основе иных, пока не расшифрованных механизмов.

Одним из достижений М. г. и молекулярной биологии (см.) является расшифровка механизма трансляции, т. е. собственно синтеза белка на рибосомах (см.). Трансляция заключается в полимеризации аминокислотных остатков, подносимых транспортными РНК, в соответствии с нуклеотидной последовательностью в молекуле информационной РНК, к-рая программирует работу рибосом. Кодоны информационной РНК определяют инициацию, рост и терминацию каждой полипептидной цепи. Специфические белки необходимы для этапов инициации и терминации полипептидов, в то время как образование пептидных связей между отдельными аминокислотными остатками катализирует рибосома, обладающая пептидилтрансферазной активностью. Рибосома регулирует также степень точности белкового синтеза.

Методы М. г. используются также при изучении посттрансляционной судьбы полипептидных цепей, многие из к-рых претерпевают значительные изменения, прежде чем проявят специфическую ферментативную активность. При этом происходит «иссечение» субъединиц полипептидов из полипептидов-предшественников, нек-рые аминокислотные остатки в молекуле таких предшественников модифицируются — фосфорилируются или ацетилируются.

Молекулярно-генетический анализ позволяет исследовать формирование четвертичной структуры белков — объединение их субъединиц в активную молекулу. Наличие в нек-рых белках идентичных субъединиц, т. е. повторение одной и той же полипептидной цепи два и более раз, находит отражение в явлении межаллельной комплементации. Механизм этого явления, обнаруживающегося при транс-конфигурации нек-рых аллельных мутаций, заключается во взаимовлиянии по-разному мутантных идентичных субъединиц, в результате чего происходит восстановление ферментативной активности. Исследование механизмов межаллельной комплементации (см. Мутационный анализ) указывает на лабильность структуры белков, а также на существование в полипептидной цепи относительно автономных участков — функциональных центров, каждый из к-рых может быть поврежден в результате мутаций независимо от остальных. Объединение полного набора таких центров при образовании четвертичной структуры белка за счет по-разному мутантных идентичных субъединиц приводит к появлению ферментативной активности. Эти сведения, полученные методами М. г., согласуются с данными рентгеноструктурного анализа, вскрывающими в белках полуавтономные участки образования третичной структуры, т. е. складывания полипептидной цепи, получившие наименование доменов.

Молекулярная генетика открывает широкие перспективы в изучении генных мутаций человека и патогенеза наследственных болезней. Локализация генетического дефекта на уровне строения ДНК, синтеза и созревания информационной РНК, процесса трансляции и, наконец, структуры белкового продукта гена дает возможность не только правильно поставить диагноз, но и выработать подходы для лечения наследственного заболевания.

Знание генетического контроля генетических процессов широко используется при разработке высокочувствительных средств биол, индикации генетической опасности антропогенных факторов окружающей среды: лекарственных средств, пищевых добавок, пестицидов, различных хим. соединений, используемых в быту, и т. д. Известно, что мутагенность и Канцерогенность хим. веществ в нек-рых тестах обнаруживает высокий уровень корреляции. Для изучения мутагенных эффектов окружающей среды широкое распространение получают разработанные в М. г. мутационные системы.

При этом часто используют штаммы микроорганизмов, несущие генетические дефекты системы эксцизионной репарации и поэтому проявляющие повышенную чувствительность к мутагенным воздействиям.

Понимание механизма регуляции действия генов у бактерий успешно используется в создании продуцентов аминокислот, витаминов, антибиотиков и других биологически активных веществ для микробиологической промышленности.

Проблемы Молекулярной генетики исследуются в тех же научных центрах, что и проблемы общей генетики (см. Генетика, основные центры генетических исследований и органы печати).

Публикации, посвященные проблемам Молекулярной генетики, в СССР и за рубежом помещаются в периодических изданиях по генетике, молекулярной биологии и биохимии.

См. также Генетика, Молекулярная биология.

Библиография: Гершкович И. Генетика, пер. с англ. 4 М., 1968; Дубинин Н. П. Общая генетика, М., 1976; И час М. Биологический код, пер. с англ., М., 1971; Кушев В. В. Механизмы генетической рекомбинации, Л.,1971; Ратнер В. А. Принципы организации и механизмы молекулярно-генетических процессов, Новосибирск, 1972; Стент Г. Молекулярная генетика, пер. с англ., М., 1974; Уотсон Дж. Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1978; Физиологическая генетика, под ред. М. Е. Лобашева и С. Г. Инге-Вечтомова, Л., 1976; Финчем Дж. Генетическая комплементация, пер. с англ., М., 1968.

С. Г. Инге-Вечтомов.