Генетика на новых рубежах

В 1865 г. чешский естествоиспытатель Г. Мендель доказал, что все признаки и свойства организмов определяются комбинацией наследственных факторов, впоследствии названных генами. Наследственные признаки в основном определяются ядром клетки. Каждый наследственный признак "прописан" на строго определенных участках хромосом ядра. Гены несут не собственно признак, а наследственную информацию о признаке. Признаки же появляются у организма при тесном взаимодействии наследственных факторов и среды.

В свое время в науке шли горячие споры о том, что важнее для формирования организма - наследственные факторы или среда. В наше время строго научно доказано, что в развитии любого наследственного признака участвует и то и другое.

Крупнейший советский ученый Н. П. Дубинин еще в 1929-1933 гг. экспериментально подтвердил свое открытие о делимости гена.

"Как бы далеко ни продвинулся человек по дороге знания, - рассказывает академик Д. К. Беляев, - как бы высоко Ни парил его разум, никогда, я думаю, он не перестанет удивляться великому таинству наследственности: возникновению сложной индивидуальности, именуемой организмом, из одной-единственной оплодотворенной клетки, несущей эстафету жизни...

Развитие генетики в 20-30-гг. нашего века дало неоспоримые доказательства того, что инфррмация о наследственных свойствах и признаках организмов закодирована в особых структурах клетки - хромосомах. Выяснилось, что именно в них локализованы элементарные единицы наследственности, управляющие развитием организма, - гены, существование которых еще в 1865 г. было предсказано Г. Менделем. Как прямой результат развития этой теории за последние 20-25 лет возникла молекулярная генетика, а вместе с ней и молекулярная биология.

Сегодня уже хорошо изучены свойства наследственного кода, закономерности передачи наследственной информации из клетки в клетку и из поколения в поколение. И перед наукой во всей своей гигантской сложности встал другой вопрос: как из клетки на основе содержащейся в ней информации формируется организм?

Все клетки - нервные, мышечные, эпителиальные - содержат один и тот же набор генов, т. е. совершенно одинаковое количество наследственной информации. Что же заставляет их так строго специализироваться, формировать разные ткани и органы, которые в своей совокупности составляют всю неповторимую индивидуальность организма? Современная биология исследует эту проблему во всеоружии своих методов, опираясь на достижения физики и химии.

Многие важные функции организма, не только формирующегося, но уже зрелого, протекают при непосредственной активности генетического аппарата, под его непосредственным контролем. Есть предположение, что даже запоминание может быть связано с деятельностью генов..."

В состав любого живого существа входят нуклеиновые кислоты и белки. Их роль поистине уникальна. В молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) записана генетическая информация человека. ДНК - это высокомолекулярное двухцепочное соединение, составленное из элементарных единиц - нуклеотидов, расположенных в определенной для каждого организма последовательности. Каждая молекула ДНК - это длинная последовательность более мелких, сравнительно небольших молекул - азотистых оснований. Их четыре типа. Если не учитывать различий между ними, молекулу ДНК можно рассматривать как одномерный кристалл. В этом плане она может стать объектом физического исследования. Так, московским и харьковским физикам уже удалось вырастить кристаллы ДНК, т. е. вещество, на котором записан генетический код. Ученые стремятся досконально изучить механизм функционирования молекул ДНК, с тем чтобы управлять им. Изучение механизма передачи генетической информации исключительно важно для успешной борьбы с вирусными болезнями, раком, врожденными уродствами и т. п.

Индийский ученый X. Корана синтезировал один "короткий", состоящий лишь из 77 нуклеотидов, ген дрожжевой клетки. Впервые в пробирке удалось воссоздать полный ген, программирующий образование одной из нуклеиновых кислот - так называемых транспортных.

Большую работу по определению строения транспортных РНК провели сотрудники Института молекулярной биологии АН СССР во главе с академиком А. А. Баевым. Их работа удостоена Государственной премии.

Несколько лет назад был создан искусственный ген человека. Из вируса выделен фермент, с помощью которого в пробирке синтезирован один из важных генов - тот, что отвечает за построение в организме человека гемоглобина. Не так давно появилось и сообщение о пересадке гена из бактериальной клетки в человеческую.

В наше время родилось важное направление в молекулярной генетике - генная, или генетическая, инженерия. Один из известных отечественных исследователей по генетике микроорганизмов доктор биологических наук С. И. Алиханян рассказывает:

"Говорят: генная инженерия и генетическая... Что вернее? Оба термина вполне правомочны, хотя по существу отличны друг от друга. Генетическая инженерия возможна лишь в пределах скрещивающихся, родственных видов. Это скорее селекция. С ее помощью невозможно получить гибрид, условно, скажем, слона и бабочки. А генная инженерия предполагает иной метод конструирования новых организмов. Исследователь выделяет из молекул ДНК нужные гены, осуществляет с ними целую серию сложных манипуляций и затем встраивает их в гены другого организма.

Произвольное объединение разнородных генов может привести к образованию молекул ДНК с непредсказуемыми свойствами. Теоретически почти нет границ конструированию необыкновенных организмов, возможны уже сейчас самые необычные комбинации генов, вплоть до сочетания генов многоклеточных животных и бактерий...

Инструменты генной инженерии - ферменты. В каждой клетке имеется полный набор этих химических молекулярных инструментов, которые производят с генами различные операции. Есть, в частности, ферменты, охраняющие клетку от вторжения чужих генов. Эти ферменты (их называют рестриктазы) разрубают, как саблей, противника - чужую ДНК, причем только в определенных местах. Они-то и используются в качестве набора своеобразных скальпелей, которыми мы можем расщеплять те или иные молекулы ДНК на части".

Генетики многого добились в размножении растений. Так, в 1963 г. им удалось из единственной клетки корня моркови вырастить целую морковь. Подобные опыты таят в себе резервы многократного увеличения урожая. Подлинным событием стали эксперименты по вегетативному воспроизведению лягушек. Из клетки глаза или кишечника, головастика извлекали ядро, помещали его в икринку, из которой предварительно было удалено ее собственное ядро. Из икринки развивался нормальный головастик, а из головастика - взрослая лягушка.

Опыты по активизации "дремлющих" элементов живой клетки положили начало серии еще более тонких экспериментов. Наука обратилась к поискам средств, позволяющих "починить" те части механизма, которые ответственны за появление у людей недугов, в том числе и ненаследственных. Представьте себе, что больному диабетом вместо поврежденного вводят нормальный ген, который "заведует" синтезом инсулина. Или же человеку пересаживают взятый от животного ген, регулирующий процесс расщепления мочевой кислоты, благодаря чему удастся победить подагру.

"В свое время, - рассказывает академик Д. К. Беляев, - мы поставили простой, но довольно наглядный опыт на одном из главных объектов пушного звероводства - норках. На определенных этапах развития плода на материнский организм воздействовали дополнительным освещением. В природе световой день норок, когда они готовятся воспроизвести потомство, равен приблизительно 12 ч. Мы искусственно удлинили его до 17 ч и неизменно получали повышение плодовитости.

Этот эффект прямо основан на познании генетических закономерностей индивидуального развития. А сам метод предельно прост и доступен. Исследование фотопериодической регуляции плодовитости в свиноводстве дало вполне обнадеживающие результаты: молодые свиноматки под влиянием удлиненного светового дня в осенне-зимний период давали в среднем на одного поросенка больше. По-видимому, в использовании гормональной регуляции заложены большие резервы".

Закономерность образования пола животных

Раскрытие генетического кода и путей биосинтеза белка послужило основой для последующих научных открытий, которые не только имеют важное теоретическое значение, но и связаны непосредственно с нуждами народного хозяйства. К их числу относится открытие академиком Б. Л. Астауровым (Институт биологии развития АН СССР) новой закономерности в области определения пола животных. Им выяснено, что определенные внешние воздействия на ядерные структуры половых клеток в период созревания яйцеклетки и оплодотворения влияют на хромосомную половую конституцию зародыша. Впервые возможность управления полом потомства была практически осуществлена автором на тутовом шелкопряде.

Б. Л. Астауров нашел условия, при которых точно дозированный тепловой шок, выполняя роль естественного процесса оплодотворения, стимулирует к развитию неоплодотворенную яйцеклетку и вызывает такой ход формирования наследственной структуры зародышей, который приводит к получению потомства только женского пола. Подвергнутые термоактивации яйца дают без всяких исключений 100% самок.

Автором найден и другой вариант термического режима, который в сочетании с воздействием высоких доз ионизирующей радиации направляет ход ключевых ядерных процессов у свежеоплодотворенного яйца по иному пути, приводя к развитию только мужских особей. В этом случае зародыши развиваются только на отцовском ядерном материале. Они получают половую формулу отца и все оказываются самцами.

Есть все основания считать, что общие принципы произвольного управления полом потомства, эффективность которых практически продемонстрирована на шелковичном черве, могут быть применены (с соответствующими изменениями) и к другим животным, в первую очередь к тем, у которых, подобно шелкопряду, половые клетки и самый процесс оплодотворения легко доступны внешним воздействиям, например к ценным видам искусственно разводимых рыб.

Открытие Б. Л. Астаурова уже нашло применение в области научно-практического шелководства и в некоторых других областях биологии. Хотя женский пол у тутового шелкопряда менее шелконосен, чем мужской, способ получения чисто женского потомства имеет большое значение для селекционно-племенной работы. Он помогает вести отбор, размножать нужные наследственные конституции, устанавливать наследуемость сложных хозяйственно-важных признаков, получать и разводить искусственных полиплоидов и т. д.

Московский институт биологии развития АН СССР в содружестве со Среднеазиатским научно-исследовательским институтом шелководства и другими институтами успешно проводит исследования на основе открытия Б. Л. Астаурова. "Эта работа, - писал академик Б. Л. Астауров, - подлинная генетическая инженерия, позволяющая конструировать генный состав организма по плану генетика-конструктора".

Открытие Б. Л. Астаурова внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 2 с приоритетом от 3 декабря 1947 г.

Периодическая функция ядер в развитии организма животных

Развитием организма, как уже говорилось, управляет наследственный аппарат клетки, т. е. клеточное ядро, в котором находятся хромосомы, содержащие единицы наследственности - гены. Яйцо, с которого начинается развитие организма, содержит ядро и большую массу цитоплазмы.

В самом начале развития яйцо делится на множество клеток, в каждой из которых содержатся свои ядра. Клетки зародыша в своем развитии образуют органы и ткани, в них самих происходят закономерные изменения. В результате дифференцировки клетки зародыша преобразуются в специализированные клетки - мышечные, нервные, клетки крови и т. д.

Все эти сложные процессы - формирование органов и дифференцировка клеток, или морфогенез, - управляются клеточными ядрами. В ядрах содержатся хромосомы, полученные от родительских организмов, и развивающийся зародыш постепенно становится похожим на своих родителей.

Оплодотворенное яйцо представляет собой достаточно сложное образование - оно содержит не только ядро, но и все остальные части клетки. Они образовались под контролем ядра, но задолго до начала развития, в теле материнского организма. Если каким-либо способом лишить яйцо ядра, оно все же способно начать развитие - очевидно, за счет деятельности ядра во время образования яйца. Однако такое развитие долго продолжаться не может - очевидно, потому, что дальнейшее развитие требует участия ядер самого зародыша. Функция ядер, которая определяет формирование органов и тканей, называется морфогенетической.

Когда же начинается морфогенетическая функция ядер? Осуществляется ли она с момента оплодотворения, управляет ли она развитием постоянно или периодически?

Доктор биологических наук А. А. Нейфах (Институт биологии развития АН СССР) открыл ранее неизвестную закономерность, заключающуюся в том, что функция клеточных ядер, контролирующих развитие зародыша, осуществляется периодически. Он доказал, что существуют периоды, когда ядра оказывают на цитоплазму клеток такие воздействия, в результате которых зародыш проходит определенные стадии своего развития.

"Установление периодичности морфогенетической функции ядер, - рассказывает автор открытия, - привело к серии последовательных работ, которые проводятся в институтах молекулярной биологии, биофизики, биологии развития АН СССР и во многих зарубежных научных центрах.

Важным подтверждением открытия стало установление начала синтеза РНК в ядрах, который служит биохимическим проявлением их функции. Оказалось, что во многих случаях (у яиц вьюна, амфибий и др.) начало морфогенетической активности ядер и начало синтеза РНК совпадают. Однако полного тождества между синтезом РНК и морфогенетической функцией ядер проводить не следует.

Открытие важно для понимания механизма развития зародыша. Оно может иметь существенное значение для медицины, например для изучения восстановительных процессов в организме и особенностей развития раковых клеток".

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 14 с приоритетом от 20 декабря 1958г. в следующей формулировке:

"Установлена при помощи радиационной инактивации клеточных ядер ранее неизвестная закономерность, состоящая в том, что морфогенетическая функция ядер в развитии клеток животного организма осуществляется периодически. Определены периоды ядерной активности, в течение которых ядра оказывают морфогенетические влияния, необходимые для осуществления следующего этапа развития зародыша, а также показано, когда изменение биохимических показателей, таких, как Дыхание, активность цитохромоксидазы, определяется ядерной функцией".

Явление синтеза ДРНК (рибонуклеиновой кислоты нового класса) в ядрах клеток высших организмов

Член-корреспондент АН СССР Г. П. Георгиев и кандидат биологических наук В. Л. Мантьева (Институт молекулярной биологии АН СССР) открыли явление образования в ядрах клеток высших организмов рибонуклеиновой кислоты нового класса - ядерной дРНК (РНК с ДНК-подобным нуклеотидным составом), несущей информацию синтеза клеточных белков.

"В науке было известно, - рассказывает Г. П. Георгиев, - что сама ДНК непосредственно не принимает участия в образовании белков клетки, а делает это опосредствованно - через РНК (мРНК). К 1961 г. уже было установлено существование в клетках бактерий информационной РНК, участвующей в переносе генетической информации от ДНК к белку. Каким же путем осуществляется передача генетической информации в клетках высших организмов, было неизвестно. Предполагалось, что сама ДНК не участвует в этом синтезе, а осуществляет передачу заключенной в ее структуре информации через какого-то посредника.

Два известных тогда класса клеточных РНК - рибо-сомная и транспортная - не отвечали требованиям, предъявляемым к гипотетическому посреднику, своим составом, резко отличающимся от состава ДНК (отношение сумм гуаииловой и цитидиловой кислоты к сумме адениловой и уридиловой кислот К=Г+Ц/А+У составляет для рибосомной РНК большинства животных 1,5-1,6, а для ДНК с заменой уридиловой кислоты на тимидиловую К=Г+Ц/А+Т равно 0,7-0,8). Посредниыком должен был быть еще не известный класс РНК, соответствующий по составу ДНК и обладающий достаточно высокой скоростью синтеза и распада. В 1961 г. авторы открытия с помощью собственного метода выделили из ядер клеток животных РНК, по нуклеотидному составу сходную с ДНК. Эта РНК получила название дРНК.

Позднее, в 1962 г., был разработан метод фенольного термического фракционирования, позволивший выделить в чистом виде дРНК из ядер клеток животных тканей. Этот метод был воспроизведен в ряде работ советских и иностранных ученых, получивших сходные результаты".

Позднее в лаборатории Г. П. Георгиева было установлено, что дРНК обладает молекулярным весом (2-10•10⁶), намного превышающим молекулярный вес мРНК цитоплазмы. С помощью конкурентно-гибридизационного метода было показано, что часть последовательностей высокомолекулярной ядерной дРНК соответствует последовательностям цитоплазматической мРИК. Отсюда был сделан вывод, что ядерная дРНК содержит мРНК цитоплазмы. Ее превращение в мРНК цитоплазмы происходит при расчленении огромной цепи дРНК на более короткие цепи, при этом часть последовательностей ядерной дРНК распадается до низкомолекулярных продуктов. Это явление было подтверждено рядом советских и зарубежных работ.

Открытие заложило основы для развития молекулярной биологии высших организмов. Г. П. Георгиевым была создана схема организации единицы транскрипции (транскриптона) в геноме высших организмов. Это позволило подойти к анализу молекулярных основ дифференцировки клеток при развитии и росте организмов, а также начать расшифровку механизмов раковой трансформации клеток под действием онкогенных вирусов.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под номером 145 с приоритетом от 27 октября 1961 г. Оно сформулировано так:

"Установлено неизвестное ранее явление образования в ядрах клеток высших организмов рибонуклеиновой кислоты нового класса - ядерной дРНК (РНК с ДНК-подобным нуклеотидным составом), являющейся высокомолекулярным предшественником информационной РНК, которая несет генетическую информацию для синтеза клеточных белков".

Академик А. С. Спирин, член-корреспондент АН СССР Г. П. Георгиев и их соавторы за цикл работ "Открытие и изучение информосом - нового класса внутриклеточных чаСтиц" удостоены Ленинской премии 1976 г.

Свойства живчиков млекопитающих сохранять биологическую полноценность после быстрого замораживания

Важное открытие сделали ученые Всесоюзного научно-исследовательского института животноводства ВАСХНИЛ академик В. К. Милованов и доктора биологических наук И. И. Соколовская и И. В. Смирнов. Они обнаружили ранее неизвестное свойство живчиков млекопитающих выдерживать замораживание, хранение и оттаивание без нарушения генетической информации и с сохранением способности восстанавливать после оттаивания метаболизм с получением нормального потомства.

Перспектива применения низких температур для временного замедления жизненных процессов, длительного сохранения живых существ в состоянии анабиоза давно волнует биологов, медиков и работников сельского хозяйства. Особенно большой вклад в подготовку решения этой проблемы внес русский биолог П. И. Бахметьев, в 1900-1912 гг. исследовавший способность некоторых насекомых и амфибий оживать после замораживания и оттаивания и выяснивший законы кристаллизации в них воды.

Сейчас установлено, что высшие, теплокровные животные могут выносить охлаждение организма только до 17-20° ниже нуля. Такое охлаждение (гипотермия) получило широкое применение в медицине. Оно используется при некоторых хирургических операциях. Однако гипотермия не означает анабиоза и не решает проблемы длительного сохранения жизнеспособного состояния при низких температурах.

Многие исследователи пытались замораживать половые клетки .(живчики) мужских особей высших животных. Однако, как правило, живчики после замораживания и оттаивания погибали. Лишь немногие из них проявляли способность к движению. До 1947 г. ни в одной стране не было получено потомства из замороженного и оттаявшего семени. В 1947 г. сотрудник Всесоюзного института животноводства доктор биологических наук И. И. Соколовская опубликовала в "Докладах ВАСХНИЛ" результаты своих экспериментов под названием "Может ли замороженная сперма оплодотворять и давать нормальное потомство?". В опытах И. И. Соколовской семя кроликов подвергали быстрому замораживанию в струе испаряющейся двуокиси углерода. После того как оно полностью переходило в твердое состояние, его оттаивали и производили осеменение крольчих. Из замороженного семени было получено 69 совершенно нормальных крольчат. Позднее аспирант того же института И. В. Смирнов, ныне доктор биологических наук, под руководством академика В. К. Милованова провел обширные опыты по замораживанию семени разных видов сельскохозяйственных животных, применяя для этого твердую двуокись углерода, жидкий кислород и жидкий азот.

Первое зарубежное сообщение о получении Д. Стьюартом в Англии теленка из замороженного семени появилось в 1951 г., т. е. через четыре года после опубликования упомянутой работы И. И. Соколовской и через два года после опубликования И. В. Смирновым первого сообщения о результатах его опытов. В 1951 г. И. В. Смирнов получил 12 ягнят из замороженного семени. В 1952г., когда уже было опубликовано сообщение И. В. Смирнова о получении им телят из замороженного семени, в Кембридже был поставлен опыт осеменения замороженным семенем 38 коров.

Необходимо заметить, что открытие свойства живчиков сельскохозяйственных млекопитающих выносить глубокое замораживание не означает возможности замораживать семя в любых условиях. Для получения нормальных результатов, т. е. не меньшего, чем от свежего семени, процента оплодотворенных самок, потребовалась выработка оптимальной технологии замораживания семени. Обнаружилось, что приемы замораживания (состав среды,применение криопротекторов, температурный режим охлаждения и оттаивания и пр.) должны быть разными для различных видов сельскохозяйственных животных.

Широкое применение в СССР и за рубежом получило замораживание семени племенных быков в целях искусственного осеменения крупного рогатого скота. Оно позволяет неограниченно долго сохранять семя этих ценных животных, перевозить его на любые расстояния. В нашей стране организованы крупные станции искусственного осеменения, оснащенные современной криогенной техникой.

Замораживание семени вносит существенный вклад в практику улучшения молочного и мясного животноводства и служит технической базой.для поднятия селекционной работы в животноводстве на более высокий уровень. В плане сотрудничества стран - участниц СЭВ предусмотрен международный обмен замороженным семенем лучших быков-производителей. В настоящее время успешно замораживают семя жеребцов и хряков. Из замороженного семени северных оленей получены первые оленята. Проведены опыты по замораживанию семени рыб и трутней. Принимаются конкретные меры по техническому и организационному обеспечению внедрения замораживания семени в практику животноводства.

Открытие В. К- Милованова, И. И. Соколовской и И. В. Смирнова внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 103 с приоритетом от июня 1947 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее свойство живчиков млекопитающих сохранять биологическую полноценность и генетическую информацию после замораживания при температуре ниже - 20°С, например в сжиженных, газах, с получением нормального потомства от замороженного семени".