Влияние генов на развитие признаков

Проявление действия генов на биохимическом уровне начали изучать в 1935 г. Билл и Эфрусси с исследований двух рецессив­ных мутаций окраски глаз у дрозофилы по генам vermilion (яркие глаза) и cinnabar (киноварные глаза). У особей, гомози­готных по этим генам, не образуется пигмент, определяющий нормальную окраску глаз. В результате глаза отличаются от осо­бей дикого типа. Сложные глаза дрозофилы развиваются из за­чатка или диска, образование которого происходит на стадии личинки. Глазной имагинальный диск можно пересадить в по­лость тела другой личинки, где он продолжит свое развитие. Билл и Эфрусси произвели имплантацию эмбриональной ткани дисков глаз из личинок мух с мутантными генами vermilion и cinnabar в личинки нормальных мух-дрозофил и установили, что после метаморфозы этих личинок в зрелых мух имплантирован­ная ткань глаза развилась в дополнительные глаза нормальной окраски. Отсюда был сделан вывод, что в тканях мутантных мух не хватало какого-то вещества для синтеза нормальной окраски глаз.

На основании опытов Билл и Эфрусси пришли к выводу, что образование пигмента идет по пути: предшественник — вещество I— вещество II — пигмент. У мутанта по гену vermilion блокиро­вана реакция, в результате которой предшественник преобразует­ся в вещество I, а у мух с мутацией cinnabar блокирована реак­ция, в результате которой вещество I преобразуется в вещество И. В последующие годы было установлено, что вещество I (V⁺) является кинуренином и мутация V блокирует его образование из триптофана. Вещество II (Сп⁺) оказалось хромогеном — про­дуктом Превращения кинуренина. Мутация Сп блокировала ста­дию образования кинуренина хромогена — предшественника пигмента дикого типа. Исследования показали, что мутации в' генах, кодирующих определенные ферменты, ведут к блокирова­нию биохимических реакций, нарушая превращение определен­ных веществ, что влияет на образование признака — окраски глаз.

В 1940 г. Билл и Татум избрали для своих исследований новый объект — гриб хлебной плесени нейроспору. У нейроспо-ры в результате последовательной цепи реакций из фенилалани-на синтезируется никотиновая кислота. Было обнаружено шесть мутаций, нарушающих нормальный ход ее синтеза. При помощи культивирования на минимальной среде и добавлении веществ, синтез которых был прерван мутацией, были установлены про­межуточные продукты и порядок их образования при синтезе никотиновой кислоты:

фенилаланин i> антраниловая кислота i> индол (+ серия) i>

триптофан i> кинуренин i> оксиантраниловая кислота i> никоти­новая кислота.

Генетическое блокирование может происходить на любом из шести этапов, для каждого из которых нужен определенный фермент. Если у штамма нейроспоры произошла мутация на второй стадии, то процесс синтеза заканчивался на образовании антраниловой кислоты и шел дальше, если в среду вводили индол, синтез которого был прерван мутацией. Если мутация произошла на пятой стадии, то синтез обрывался на образовании кинуренина и продолжался только при добавлении в среду окси-антраниловой кислоты.

На основании полученных фактов Билл и Татум предложили теорию: один ген — один фермент — один признак. По этой теории каждый ген имеет только одну первичную функцию — опреде­лять синтез только одного фермента. Изменение в структуре гена, кодирующего определенный фермент, ведет к его выключе­нию. Если этот фермент не участвует в последовательной цепи реакции, то синтез определенного вещества в организме приос­танавливается на стадии, для которой этот фермент был необхо­дим. При этом возникает новый признак.

Впервые связь между генами и ферментами у человека обна­ружил Гаррод в 1902 г. При анализе родословных больных аль-каптонурией он пришел к заключению, что эта болезнь связана с обменом веществ и передается по наследству. Однако открытие Гаррода было оценено только через много лет, когда было уста­новлено, что целый ряд болезней у человека обусловлен наслед­ственными пороками метаболизма. При изучении фенилаланин-тирозинового обмена у человека было выявлено несколько забо­леваний, связанных с нарушением превращения фенилаланина до конечных веществ биосинтеза (рис. 38). Нарушения связаны с мутацией генов, кодирующих ферменты, принимающие участие на разных этапах метаболизма. Фенилкетонурия возникает в том случае, когда блокируется превращение фенилаланина в тирозин. Это ведет к увеличению фенилаланина в плазме крови, спинно­мозговой жидкости и в моче. Исследования показали, что у

Рис. 38. Схема фенилаланннтирозинового обмена у человека:

/ — фенилкетонурия (избыток фениллланпна): 2 — альбинизм; 3— тнрокетон>рня. 4— аль-каптонурия (черный пигмент в моче)

большинства больных детей умственное развитие отстает на 70 % и более. При альбинизме потеряна способность к образованию меланина. Кретинизм возникает при нарушении в превращениях тирозина. Заболевание сопровождается задержкой развития и ум­ственной отсталостью.

Заболевание тирозинозом связано с мутацией гена, кодирую­щего фермент, катализирующий образование гомогентизиновой кислоты. При заболевании алькаптонурией наблюдается наруше­ние синтеза фермента оксидазы, что ведет к накоплению гомо­гентизиновой кислоты. Моча больных алькаптонурией на возду­хе приобретает темную, почти черную окраску. На примере фе-нилаланинтирозинового обмена мы видим, как одно и то же исходное вещество (фенилаланин) под влиянием ферментов — продуктов разных генов, претерпевает превращения в разных направлениях, определяя в конечном итоге разные биохимичес­кие признаки. У низших организмов путь от гена до признака сравнительно короткий. У них наследственные признаки опреде­ляются 'йнами, которые сосредоточены в одной клетке, и актив­ность генов регулируется продуктами метаболизма этой же клет­ки. У подавляющего большинства многоклеточных организмов путь от гена до признака значительно сложнее и менее изучен. Целый ряд исследований показывает, что характер индивидуаль­ного развития высших организмов определяется взаимодействи­ем многих генов, сложным взаимодействием ядра и цитоплазмы, взаимодействиями различных клеточных систем, обладающих ак­тивностью разных генов.