Сжатая ZIP-папка / ЛК_ген_2

ЛЕКЦИЯ 2 -ГЕНЕТИКА

ЛЕКЦИЯ 2

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ГЕНЕТИКИ

Запросы сельскохозяйственного производства, задачи улучшения культивируемых растений и домашних животных, селекционная практика диктовали необходимость изучения явлений наследственности и изменчивости организмов. Этого можно было достичь лишь путём наблюдений, экспериментов и правильного обобщения полученных в них результатов. Во второй половине 18 – первой половине 19 столетий рядом исследователей были проведены опыты по гибридизации растений, в результате которых изучение наследственности организмов в значительной степени продвинулось вперёд. Но решающий шаг в этом направлении сделал, безусловно, Г.Мендель – известный чешский учёный.

До его экспериментов в биологии господствовала теория слитного наследования, при которой получение гибридов сравнивали со слиянием двух разноокрашенных жидкостей, дающих в смеси промежуточную окраску. Именно этим объясняли схожесть черт потомков и их родителей.

Заслуга Менделя состояла в том, что он убедительно показал дискретность (делимость) наследственности, и что отдельные признаки или свойства организма развиваются на основе определённых материальных наследственных факторов, которые не растворяются, не исчезают и могут наследоваться независимо друг от друга. Он разработал основные принципы генетического анализа наследственных признаков, впервые применил к изучению наследственности методы математической статистики и установил основные закономерности числовых соотношений расщеплений гибридов при скрещивании.

Поскольку установленные закономерности наследственности имели фундаментальное значение для теории и практики гибридизации растений и селекции вообще, Мендель по праву стал основоположником генетики, даже несмотря на то, что долгое время его изыскания оставались неизвестными, но по достоинству были оценены лишь спустя почти четыре десятилетия.

Мощнейший толчок развитию генетики и биологии в целом придали исследования Ч.Дарвина, который поставил биологию на научную основу, показав, что в основе эволюционных процессов и селекции лежит явление изменчивости, наследственности и отбора. Эти положения во многом подготовили основу для развития и широкого восприятия научной общественностью идей и методов генетики.

Благодаря учению Дарвина расширялись опыты по гибридизации растений, приводившие к получению всё более продуктивных селекционных форм. Поэтому не случайно в 1900 г. сразу трое учёных из разных стран (К.Корренс из Германии, Э.Чермак – из Австрии и Г.Де Фриз из Голландии) сообщили о выявленных ими закономерностях. Поэтому этот год считают официальным годом рождения новой науки, название которой – генетика было дано лишь спустя 6 лет английским исследователем В.Бэтсоном.

Историю генетики делят на два основных периода: эпоху классической генетики и эпоху молекулярной генетики (с 1953 г.).

Классическую генетику можно рассматривать в виде двух этапов. На первом с 1900 по 1910 г. открытия Менделя были полностью подтверждены в многочисленных экспериментах с растениями и животными, показали универсальный характер наследования признаков по Менделю, т.е. было показано, что законы наследственности едины для всего живого мира. На этом этапе закономерности наследования признаков изучали на уровне целых организмов и не связывали её с какими-либо материальными структурами клетки.

Передачу и распространение в поколениях наследственных признаков рассчитывали с помощью буквенных схем и формул.

Формируются представления о хромосомной природе наследственности. Выявлены особенности поведения хромосом в процессе клеточного деления (митоза) и образования половых клеток (мейоза). Для изучения явлений наследственности всё шире применяют цитологические методы. Г. Де Фризом сформулирована теория мутаций, а датский генетик В.Иогансен на основе своих опытов разработал и ввёл в генетику понятия ген, генотип, фенотип.

На втором этапе с 1911 по 1953 г. окончательно выявлены материальные основы наследственности. Решающее значение для обоснования и утверждения хромосомной теории наследственности имели опыты американского генетика Т.Моргана и его учеников с плодовой мушкой дрозофилой. Понятие наследственного фактора (гена) получило материальное воплощение. Сформулированная хромосомная теория наследственности констатировала:

1. гены находятся в хромосомах и расположены в них в линейном порядке;

2. гены образуют столько групп сцепления, сколько пар гомологичных хромосом имеется у данного вида;

3. гены, находящиеся в одной группе сцепления могут рекомбинировать (меняться местами) благодаря явлению перекрёста (кроссинговера). При этом величина рекомбинации является функцией расстояния между генами.

К началу 20-х годов у дрозофилы было обнаружено и локализовано во всех четырёх группах сцепления несколько сотен генов. Установленные на плодовой мушке принципы определения местоположения генов в хромосомах были использованы на других животных и растительных объектах и оказались верными для всех исследованных видов организмов.

Хромосомная теория стала крупнейшим обобщением и синтезом результатов многочисленных экспериментов. Но мутация гена представлялась как результат самопроизвольных и не зависимых от внешних условий изменений наследственности.

Только в 1925 г. появилось сообщение советских учёных Г.Надсона и Г.Филиппова о получении мутаций у дрожжевых грибов под воздействием лучей радия. Два года спустя американский исследователь Г.Мёллер опубликовал результаты о значительном увеличении частоты мутаций у дрозофилы под действием рентгеновских лучей. Он же разработал методику точного количественного учёта мутаций. Так впервые была показана изменчивость генов под воздействием внешних условий. В конце 20- начале 30-х годов были получены рентгеномутации у ячменя, кукурузы, пшеницы, и впервые показа возможность создания исходного материала для селекции путём радиационного мутагенеза. Так было положено начало радиационной генетике.

Первые результаты о возникновении наследственных изменений под влиянием некоторых химических соединений получили в начале 30-х годов В.Сахаров и М.Лобашов. Однако лишь к середине 40-х годов в результате работ советского генетика И.Раппопорта и английского генетика Ш.Ауэрбах было открыто несколько классов химических соединений, вызывающих наследственные изменения, и сформулирована теория химического мутагенеза.

В 30-е годы А.Серебровским и Н.Дубининым впервые была показана делимость гена и обоснованы представления о его сложном строении.

В то же время были заложены основы генетики популяций в результате использования генетико-математических методов исследования больших сообществ живых организмов. Положения и методы генетики популяций лежат в основе генетических теорий и гипотез селекции.

В это же время начинают меняться объекты генетических исследований. Большое внимание уделялось изучению микроорганизмов – грибов и бактерий, а затем и вирусов, обладавших значительными скоростями размножения. Это позволило получать в экспериментах в короткие сроки сотни и тысячи поколений с множеством миллионов особей в каждом, что значительно расширило возможности генетического анализа и создало условия для постановки и решения таких задач, которые раньше казались неразрешимыми.

В 40-х годах в результате работ американских биохимиков Г.Бидла и Э.Татума было показано влияние генов на обмен веществ и, в конечном счёте, на формирование всех морфо-физиологических признаков и физиологических свойств живых организмов. Это позволило сформулировать гипотезу «один ген – один фермент», получившую подтверждение в многочисленных экспериментах и ставшей одной из центральных теорий молекулярной генетики.

В те же годы американский исследователь О.Эвери с сотрудниками в опытах по бактериальной трансформации были впервые представлены убедительные доказательства того, что основным материальным носителем наследственности являются не белковые компоненты хромосом, а ДНК.

В начале 50-х годов А.Херши и М.Чейз убедительно продемонстрировали, что при нападении фага на бактерию в неё проникает только нить ДНК фага, а его белковая оболочка остаётся снаружи. Этого оказывается достаточно для того, чтобы привести к наследственным изменениям свойств бактериальной клетки.

Эпоха молекулярной генетики начинается с 1953 года – момента опубликования представлений о структуре молекул ДНК Д.Уотсоном и Ф.Криком. Эти успехи были достигнуты благодаря использованию методов и принципов исследования точных наук: химии, физики, математики, кибернетики и т.д. для изучения вопросов, связанных с проблемами биологии. Широкое применение нашли электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, скоростное центрифугирование, метод радиоактивных изотопов, высоко очищенные препараты витаминов, ферментов, аминокислот, сахаров и т.д. Благодаря этому анализ материальных основ наследственности стал осуществляться на молекулярном уровне изучения структурной организации живой материи.

В 1957 году А.Корнберг сообщил о создании первой искусственно созданной вирусной частице, способной к размножению и обладавшей всеми известными свойствами природных вирусов. А спустя год им было сделано сообщение об осуществлённом синтезе ДНК в пробирке.

К середине 60-х годов был расшифрован генетический код наследственности и состав нуклеотидных триплетов для всех 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул.

В те же годы французские исследователи Ф.Жакоб и Ж.Моно разработали общую теорию регуляции белкового синтеза и на её основе предложили принципиальную схему механизма генетического контроля синтеза ферментов.

Г.Хоране удалось осуществить синтез гена клетки дрожжевого гриба в системе in vitro, а Д.Бэквитсу с сотрудниками удалось выделить ген фермента бета-галактозидазы из кишечной палочки. Ещё одним знаменательным событием явилось открытие фермента – обратной транкриптазы, способной катализировать синтез молекул ДНК на РНК-матрице.

Таким образом, к началу 70-х годов ХХ века была заложена прочная экспериментальная основа, которая позволяла исследователям внедряться в самые тонкие механизмы наследственности и изменчивости. И именно в этот период были разработаны основные принципы методов, которые легли в основу генной и способствовали значительному прогрессу клеточной инженерии. Примерно с этого времени начинается бурное развитие молекулярной биологии в целом.

Среди наиболее крупных центров генетических исследований в нашей стране следует отметить Институт общей генетики РАН, Институт биологии развития РАН, Институт цитологии и генетики РАН, ряд Институтов в Центре биологических исследований в г.Пущино, Всероссийский институт растениеводства РАСХН и др.

3