Век генетики: эволюция идей и понятий

Согласно данным тонкого генетического анализа, проведенного в домолекулярный период, рекомбинационный размер white гена составил 0,03 ед. карты. Поскольку в среднем на 0,01 ед. карты дрозофилы приходится около 4000 п. н., то физический размер гена оценивался приблизительно в 12 тыс. п. н… Эта оценка оказалась близка к реальности. Выделенный генно-инженерными методами фрагмент ДНК размером 12 тыс. п. н. включал все известные мутации. Размер же первичного транскрипта и размер мРНК оказался значительно меньше. Почему? Во-первых, локус w разделен на структурную и регуляторную части. Во-вторых, локус включает 4 интрона — один основной, длиной более 2,5 тыс. п. н. и три малых.

Мозаичная структура гена позволяет понять мучившую генетиков около 20 лет загадку большого размера гена по сравнению с размером кодируемого белка. Если размер полипептидной цепи в среднем равен 300 аминокислот, то размер гена должен составлять около 1000 н. п. Это справедливо для микроорганизмов. Но у дрозофилы рекомбинационная длина функциональной генетической единицы (локуса) в десятки, а иногда в сотни раз выше ожидаемой. Мозаичная структура локусов и их деление на регуляторные и структурные элементы частично сняли данный парадокс.

Совершенно непредвиденным оказался факт, что большинство спонтанных мутаций в локусе white связаны с инсерциями мобильных генетических элементов. Примечательно, что самая первая мутация "белые глаза", найденная Т. Морганом в 1910 г., оказалась вызвана внедрением F-элемента в район проксимального экзона. Впоследствие от "белоглазого" w¹ аллеля были выделены множественные аллели с частичным восстановлением окраски глаз: w^e и w^h. Оказалось, что первый из них связан с инсерцией дополнительной последовательности в 200 п. н. в F-элемент исходного мутанта, а второй аллель с частичным восстановлением окраски образовался при делеции F-элемента. Наконец, почти полное восстановление фенотипа "красные глаза" было получено при внедрении в исходный F-элемент совсем другого I-элемента (обзор: Юрченко, Голубовский, 1988).

Поразительно, что встраивание в интрон сегмента длиной в сотни нуклеотидных пар может лишь частично выключать активность гена. Порой вставка в интрон вовсе не сказывается на фенотипе, поскольку интрон вместе со вставкой не входит в мРНК.

Генно-инженерные методы позволили встроить полную копию гена w⁺ или его части в Р-элемент. Затем такой гибридный ДНК-конструкт вводился в зародышевый путь линий с выключенным геном w и анализировалось, как восстанавливалась активность гена в случае удачной трансформации, т. е. встраивания функционально активного гибридного конструкта в геном. Таким путем удалось обнаружить серию последовательностей, расположенных за пределами структурной части гена, перед началом старта транскрипции, которые отвечают за включение гена в разных тканях и органах. Так, интервал 1081–1850, отступя от старта транскрипции в противоположную сторону, содержит детерминанты, необходимые для экспрессии гена в семенниках, интервал 216–400 необходим для активации гена в мальпигиевых трубочках, а район 0–216 перед стартом транскрипции необходим для дозовой компенсации. Ген эукариот предстает как высоко дифференцированное в структурном и функциональном отношении образование.

Во всех случаях, когда мутации были нестабильны, удалось выделить мобильный элемент, который будучи встроен в ген, вызывает его нестабильность. Таким образом, если мутация нестабильна, надо, как правило, искать инсерцию. Однако здесь нет симметрии: стабильная мутация тоже может оказаться связанной с инсерцией, как это выяснено для многих спонтанных мутаций.

Мозаичная структура гена, возможность включать в свой состав посторонние куски ДНК без видимого фенотипического эффекта позволяют объяснить старые, полученные в 20-е годы Н. В. Тимофеевым-Ресовским данные о различии в частотах и спектре индуцированных мутаций нормальных аллелей гена из американской и русской популяций. Дело, видимо, в том, что нормальные по фенотипу аллели одного гена могут существенно отличаться по своей физической структуре на уровне ДНК (например, по длине и составу инсертов), и это может объяснить различия в индуцированном мутагенезе.

Очень важен для понимания действия генов тот факт, что изменение последовательностей, удаленных от кодирующей части гена на сотни и тысячи оснований, способны вызвать мутации гена. В цис-положении последовательности типа энхансеров (или усилителей), регулируют активность близлежащих генов (Георгиев, 1989). Подтверждается одно из основных положений в концепции Р. Гольдшмидта, что хромосома — это не просто мозаика генов, она имеет целостные свойства, "хромосомные поля", от которых зависит активность генов в онтогенезе (Goldschmidt, 1958).