ПРИРОДА  и  СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. В 1869 г. Фридрих Мишер, современник Грегора Менделя, обнаружил в ядрах клеток гноя и сперматозоидов лосося новый класс органических соединений - "нуклеиновые кислоты". Однако прошло почти 80 лет, пока биологи признали, что эти вещества являются носителями информации о генотипе, т.е. наследственной программы организма. Составной элемент гена называется "нуклеотидом". Он включает остаток фосфорной кислоты, сахар, дезоксирибозу и азотистое (пуриновое или пиримидиновое) основание (см. рис. 7). Отдельные  нуклеотиды  соединяются  друг с другом фосфодиэфирными связями в длинные цепи (макромолекулы). Связанные  с сахарами азотистыми основаниями являются 2 пурина - аденин (А) и гуанин  (G) - и 2  пиримидина - тимин (Т) и цитозин (С). Макромолекулярная цепь носит  название дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

Рис. 7. /Структура ДНК. Изображена только одна пара нуклеотидов, состоящая из цитозина и гуанина. Р-фосфат; Z-caxap (дезоксирибоза); В-основание. Водородные связи изображены пунктиром фосфорной кислоты, сахар дезоксирибозу и азотистое (пуриновое или пиримидиновое) основание (см. рис. 7)/.  Более тщательный анализ ДНК самых различных организмов показал, что количественное соотношение отдельных оснований в ее макромолекулах варьирует в широких пределах, но при этом сохраняется соотношение 1:1 между А и Т, с одной стороны, и G и С - с другой. Рентгеноструктурный анализ и данные по возможности образования межмолекулярных связей позволили Уотсону и Крику создать в 1953 г. модель ДНК, справедливость которой была неоднократно подтверждена впоследствии. 2 комплементарные противоположно направленные цепи ДНК спирально переплетаются. Они удерживаются между собой водородными связями между парами оснований А-Т и G-C (см. рис. 7, 8).

Рис. 8. /Двойная спираль ДНК и репликация. Исходные цепочки - светлые, новые - темные; цепочки из остатков сахара и фосфорной кислоты изображены в виде лент. А-аденин; Т-ти- мин; С-цитозин; G-гуанин. Свободные нуклеотиды показаны стрелками/. Эта "двойная спираль" отвечает всем требованиям, предъявляемым к веществу наследственности. Свободно выбирая и комбинируя четыре основания-«буквы» генетического кода, можно получить бесконечное разнообразие специфически построенных макромолекул. Несущий наследственную информацию ген содержит от нескольких сотен до тысячи составных элементов - пар нуклеотидов. Благодаря этому каждый ген может отличаться по своему строению от любого другого. Это относится как к наследственным факторам в генотипе одного вида, где взаимодействуют десятки тысяч генов, так и к генетическим различиям примерно двух миллионов видов животных и растений, населяющих ныне Землю. Комплементарность оснований позволяет понять процесс удвоения вещества наследственности в клеточном цикле и при переходе от поколения к поколению (см.рис. 8).

Какие данные указывают на то, что ДНК представляет собой вещество наследственности? Прежде всего, эти молекулы встречаются в "ядрах" клеток всех живых существ (у прокариот, не имеющих  ядра, ДНК располагается в особой  области цитоплазмы. Примеч. редакции), а именно в "хромосомах", которые, как показано, являются носителями генов. Количество ДНК у различно дифференцированных клеток тела (соматических клеток), как правило, одинаково. Это согласуется с постулатом об идентичности генетического состава всех клеток организма. Исключение составляют полиплоидные и политенные клетки, содержание ДНК в которых соответствует степени их плоидности (политенности). Как и следует ожидать, в зрелых гаплоидных половых клетках количество ДНК составляет ровно половину от ее обычного количества у диплоидных соматических клеток. Известно также, что молекулы ДНК, если не учитывать их собственного удвоения, сохраняются неизменными. Они не строятся, не разрушаются и не перестраиваются, как углеводы, жиры, белки и цитоплазматические нуклеиновые кислоты, т. е. не «обновляются» в клетке. Однако наряду со стабильной ДНК в небольшом количестве (1-3%) имеется и используемая метаболическая ДНК, функции которой еще неизвестны. Дальнейшие аргументы в пользу того, что веществом наследственности является ДНК, были получены на основании "изучения мутаций": ультрафиолет (УФ) действует как вызывающий мутации (мутагенный) фактор. Максимальный их процент отмечается при длине волны 260 нм, соответствующей характерному максимуму поглощения чистого раствора ДНК. У микроорганизмов генные мутации могут быть также вызваны азотистой кислотой. Известно, что HN02 изменяет пуриновые и пиримидиновые основания; известно и то, как именно она влияет на них. Так, например, аденин дезаминируется, превращаясь в гипоксантин. Прямое влияние на структуру ДНК наблюдается и в том случае, если клетке вместо нормальных азотистых оснований предлагается 5-бром- дезоксиуридин (5-БДУ). Это основание может замещать Т в парах А Т. В результате обоих экспериментов изменяется способность к образованию пар в двойной спирали, что приводит к изменению состава оснований при репликации генов. Первые прямые доказательства того, что веществом наследственности является ДНК, приведены Эвери в 1944 г. Из определенных штаммов бактерии "Pneumococcus" была получена чистая ДНК, которую добавили к культуральной среде штаммов с другими генотипами. В результате отдельные клетки и полученные из них клоны приобрели наследственные свойства доноров ДНК. Это основано на том, что клетки захватывали чужие молекулы ДНК и встраивали их в собственный геном. В ходе такой "трансформации бактерий" могут передаваться гены, определяющие строение капсулы, обменные процессы, устойчивость к пенициллину и в целом вирулентность. При этом в качестве носителя генетической информации выступает только ДНК. Большое значение имеют также результаты, полученные вирусологами. Доказано, что при заражении бактериофагами в бактериальную клетку проникает только одна нитевидная молекула ДНК, а сложно устроенная белковая оболочка остается на поверхности бактерии. Поскольку внутри зараженной клетки образуются новые вирусы с характерными наследственными свойствами их белковых оболочек, понятно, что определяющая эти свойства наследственная информация заключена в ДНК. Современная молекулярная генетика располагает и другими данными, которые можно интерпретировать, лишь исходя из того, что в качестве генетического вещества выступает ДНК (или у некоторых вирусов РНК).

ХРОМОСОМЫ, МИТОЗ, ОПЛОДОТВОРЕНИЕ, МЕЙОЗ. ХРОМОСОМЫ. Макромолекулы ДНК образуют хромосомы. Это название означает, что речь идет об образованиях, окрашиваемых определенными (основными) красителями (от греческого слова "χρώμα"- краска). Новые хромосомы в ходе клеточного цикла образуются только как копии уже имеющихся хромосом, выступающих при этом в роли матриц. Если, например, при воздействии рентгеновскими лучами хромосома или ее фрагмент утрачиваются, восстановить их уже невозможно. Отдельные хромосомы в клеточном ядре различаются по форме, размерам и функциональному значению (рис. 9, 34):

Эту теорию индивидуальности хромосом Бовери выдвинул еще в 1888 г. Зрелые гаметы содержат только один набор хромосом; их ядра гаплоидны (п). В результате оплодотворения возникает двойной набор, как правило, характерный и для всех образующихся из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) клеток, являющихся соответственно диплоидными (2п). Непосредственно перед созреванием гамет в результате мейоза происходит уменьшение числа хромосом от 2п до п. Число хромосом, как правило, является видоспецифичным. Оно варьирует в очень широких пределах: у карликового оленя мунтжака 2п = 6, у мухи Drosophila melanogaster 2n = 8 (см. выше рис. 34 и 51):

У тритонов рода Triturus 2п = 24 (рис. 23):

У мыши 2п = 40, у человека 2п = 46 (см. выше рис. 9), у человекообразных обезьян 2п = 48, у козы 2п = 60, у камчатского краба Paralithodes 2п = 208! Между числом хромосом и уровнем организации нет прямой зависимости, так как небольшое количество крупных хромосом может содержать такое же количество генов, как и множество мелких хромосом. Постоянство числа хромосом не всегда характерно для всех органов одного и того же организма. В особо специализированных клетках хромосомы могут удваиваться и под интактной ядерной мембраной. Этот процесс носит название эндомитоза. Таким образом, диплоидное (2п) ядро превращается в тетраплоидное (4п). В результате последующих эндомитозов может быть достигнута еще более высокая степень плоидности. Т.к. объем ядра зависит от числа хромосом, эндомитоз приводит к закономерному увеличению его размеров. Полиплоидными являются, например, ядра клеток печени позвоночных или некоторые ядра в клетках желез насекомых. Наблюдаемая иногда внутривидовая изменчивость числа хромосом (например, у мелких млекопитающих) рассматривается как случай полиморфизма. Морфологию хромосом определяет, с одной стороны, положение первичной перетяжки, называемой также центромерой и служащей местом прикрепления нитей веретена (рис. 10):

Рис. 10. /Частично гипотетическая схема метафазной хромосомы. А: 1- центромера с кинетохором; 2-гетерохроматин (тип спирализации хроматид вряд ли соответствует действительности); 3-эухроматин со спирализованными хроматидами (первичная спирализация); 4-вторичная перетяжка со спутником (5); фрагмент с более тонкими витками второго порядка (сверхспирализация) (частично по Lima di Faria, DuPraw)/. С другой стороны, длина находящихся по обе стороны от центромеры плеч хромосомы. Центромера может располагаться на самом конце хромосомы или в непосредственной близости от него (телоцентрические и акроцентрические хромосомы) или лежать приблизительно посередине хромосомы (метацентрические хромосомы) (см. выше рис. 9). В центральной части центромеры находятся кинетохоры (см. выше рис. 10,А), к которым во время митоза прикрепляются микротрубочки нитей веретена. У некоторых хромосом имеются вторичные перетяжки, в которых часто локализуются повторяющиеся генные последовательности, кодирующие рРНК. Эти рРНК вместе с белками накапливаются в ядрышке. Таким образом, вторичные перетяжки функционируют как ядрышковые организаторы. Короткие хромосомные сегменты, отходящие от вторичных перетяжек, носят название спутников (сателлитов). Они характерны, например, для хромосом 13-15, 21 и 22 человека (см. выше рис. 9). Во многих хромосомах можно выделить два типа хроматина. Эу- хроматин является основным носителем представленных в большинстве случаев в простой форме структурных генов. В интерфазе эухроматин находится в «диффузном» состоянии, т. е. образует невидимые в световом микроскопе фибриллы (деспирализован). Гетерохроматин в большинстве случаев заметен и в интерфазе, поскольку остается в «конденсированном» состоянии; он реплицируется, как правило, позже эухроматина и содержит очень мало кодирующих белки структурных генов, ответственных за те или иные признаки, а иногда вообще их не содержит. Однако в гетерохроматине, например, в области вторичных перетяжек и в других участках (по обе стороны от центромеры, см. выше рис. 34). В  рис. 34 присутствуют повторяющиеся последовательности, функции которых наряду с образованием рРНК заключаются, возможно, в поддержании целостности хромосом. Определенные методы обработки (например, флуоресцентным веществом акрихином или красителем Гимза) позволяют выявить характерную для каждой хромосомы поперечную исчерченность, т.е. продольную дифференциацию (см. выше рис. 9). Флуоресцентное окрашивание пригодно не только для метафазных хромосом, но позволяет выявлять Y-хромосомы человека и в интерфазных ядрах (например, в клетках амниотической жидкости и головках сперматозоидов). В метафазе митоза плечи хромосом (хроматиды) удваиваются и остаются связанными друг с другом только центромерой (см. выше рис. 9, 10; см. ниже рис. 16):

Ультраструктура хромосом, несмотря на применение электронного микроскопа, выяснена еще недостаточно. Однако появляется все больше доказательств того, что каждая хроматида в норме представлена единственной сложно упакованной фибриллой. Участки, где ее петли внутри хроматид образуют узловидные структуры, называются хромомерами. Хромомеры отчетливо видны прежде всего в профазе мейоза (рис. 21):

Они определяют видоспецифичную продольную дифференциацию хромосом и образуют диски в гигантских хромосомах (рис. 11):

Рис. 11. /Гигантские хромосомы в клетках слюнных желез двукрылых. А-хромосомы личинки Chironomus: 1-ядрышко. Б-самая мелкая пара хромосом из клетки слюнной железы Drosophila melanogaster. В большинстве случаев гомологи соединены так, что граница между ними не видна. В-хромосомный набор D. melanogaster во время деления ядра. Хромосома, изображенная на рис. 11,В, здесь имеет вид точки (по Bridges)/. (То же в рис.14):

Вполне вероятно, что каждая хроматида состоит из одной двойной спирали ДНК. В пользу такой «однонитчатости» (мононемии) говорят хромосомы типа ламповых щеток (рис. 15):

Так же изучение мутаций и полуконсервативная репликация ДНК. Можно рассчитать длину двойной спирали ДНК в хромосоме и сопоставить ее с длиной последней. Если общая длина молекулы ДНК в средней по размерам хромосоме человека достигает примерно 4 см, то суммарная длина этих молекул в диплоидном наборе составит около 170 см. Метафазная хромосома длиной несколько микрометров возникает в результате упаковки (спирализации и сверхспирализации) ДНК, приводящей к примерно 5000-кратному укорочению всей структуры. Это означает, что в минимальном хромосомном объеме может заключаться огромное количество генетической информации.

В электронном микроскопе различимы фибриллы хроматина, являющиеся элементарными структурами хроматид. На поперечном срезе плеча хромосомы обнаруживается до 100 таких фибрилл (толщиной от 10 до 40 нм). Часть этих фибрилл составляет собственно двойная спираль ДНК диаметром около 2 нм, остальная их масса приходится на белки и небольшое количество РНК. Особое значение имеют основные белки-гистоны. Они объединены в октамеры-так называемые нуклеосомы, создающие основу, вокруг которой закручивается ДНК. В противоположность прежним представлениям ДНК прилегает к нуклеосомам снаружи. Кроме того, хроматин содержит нейтральные или кислые негистоновые белки, возможно, участвующие в контроле генной активности, а также различные ферменты-в частности ДНК- и РНК-полимеразы, лигазы, эндонуклеазы и т.д., необходимые для репликации и транскрипции. Особенно удобно изучать строение и функцию наследственного вещества на гигантских хромосомах, встречающихся в клеточных ядрах личинок двукрылых (мух и комаров). Максимальной величины они достигают в слюнных железах, где их структура наиболее четко выражена (см. рис. 11-14). Однако они встречаются и в мальпигиевых сосудах, в жировом теле и в питающих клетках яичников. Гигантские хромосомы обнаружены также в макронуклеусах некоторых инфузорий, у ногохвосток (насекомые) и в семязачатке фасоли. Такие хромосомы возникают в результате особого типа эндомитоза, при котором хроматиды последовательно многократно удваиваются, но.продолжают вплотную прилегать друг к другу, не образуя самостоятельных хромосом. Таким образом возникают многонитчатые (политенные) пучки. Степень политенности может доходить до 16000 хроматид; это объясняет необычно большой диаметр гигантских хромосом. Так как хроматиды в ядре свернуты слабее, чем в метафазной хромосоме, длина такой структуры больше примерно в 100 раз (рис. 1 \,Б, В). Богатые ДНК хромомеры в пучке хроматид тесно примыкают друг к другу, образуя интенсивно окрашивающиеся поперечные диски, разделяющиеся слабо красящимися междисковыми промежутками. В целом возникает видоспецифичная картина, характеризующая непериодическую продольную дифференциацию хромосомы. У многих двукрылых имеется гаплоидное число (п) гигантских хромосом, так как не разделенные в эмбриональном состоянии гомологичные материнские и отцовские хромосомы попарно прилегают друг к другу (см. рис. 11, 13).

Рис. 12. /Диски в Х-хромосоме Drosophila melanogaster. А -концы хромосомы с группами дисков: А 1 -7: В 1-9 и и т.д. Фигурными скобками отмечены размеры нехваток, указанных па Б и В. Б и В гетерозиготность по концевым нехваткам (deficiences) разных размеров; Г гетерозиготность по нехватке (стрелка) в средней части хромосомы. Д. Вверху - определение с помощью опытов по кроссинговеру последовательности генов; у ес гены разделены расстоянием 5,5 морганид. Внизу-идентификация отдельных локусов генетической карты с определенными дисками хромосомы слюнных желез; расстояния между генами, полученные по частотам рекомбинации, не соответствуют расстояниям на хромосоме/.

Исследования гигантских хромосом важны во многих отношениях. Высокодифференцированная в продольном направлении их структура дает адекватную и четкую основу для учения о линейном расположении генов в определенных участках (локусах) хромосом (см. выше рис. 12). Количество дисков, доходящее у Drosophila melanogaster до 5000, в общем совпадает с минимальным числом структурных генов, выявляемым при изучении мутаций. Диск с прилежащим к нему междисковым промежутком, по-видимому, образует функциональную единицу, хотя вопрос о месте локализации структурных генов и возможных контрольных факторов остается спорным. На гигантских хромосомах продемонстрированы разнообразнейшие мутации, изменяющие их структуру. Предположения генетиков, высказанные задолго до открытия хромосом слюнных желез, исходя из классических экспериментов по скрещиванию и отбору и на основе теоретических предпосылок, теперь подтверждаются микроскопически. В участках предполагаемой утраты (нехватки) гена действительно отсутствуют диски, там же, где постулировалось его удвоение (дупликация), диски удвоены. Если порядок генов в определенном участке хромосомы нарушается, это также обнаруживается по распределению дисков (см. рис. 13). Аналогичным образом могут быть выявлены и транслокации ( т.е. переносы фрагмента 1 хромосомы в другую) фрагментов хромосом. Большое значение имеет возможность доказательства эволюционных процессов. В диких популяциях видов дрозофил отмечены многочисленные структурные типы гомологичных гигантских хромосом, различающиеся расположением дисков. Это разнообразие связано с инверсиями. Как показано на рис. 13, можно построить «эволюционные деревья» типов инверсий, позволяющие судить о том, какие структурные типы возникают из других в результате единичного мутационного события и какие связаны друг с другом через промежуточные стадии. Гигантские хромосомы используются и при исследовании генной активности. На определенных стадиях развития некоторые диски теряют свои четкие очертания. Соответствующие участки вздуваются, образуя пуфы (см. рис. 14): Позже пуф может снова исчезнуть, в то время как «пуфированию» подвергаются другие диски. Доказано, что в области пуфа генетическое вещество (ДНК) активируется, что приводит к синтезу рибонуклеиновой кислоты (РНК), накапливающейся вокруг пуфа. Транскрибируемые с разных пуфов молекулы РНК различаются по составу оснований. Пуфы, характерные для ранних стадий метаморфоза, могут быть преждевременно индуцированы, например, гормоном метаморфоза экдизоном. В ходе онтогенеза пуфы появляются и исчезают в строго определенной последовательности, причем в разных клеточных системах пуфируются различные диски. Такая специфичная для стадий развития и типов клеток динамика указывает на то, что активность генов в развивающемся организме контролируется путем их своевременного «включения» и «выключения» (с. 89). Индукторами при этом могут служить гормоны.

Рис. 15. /Хромосома типа ламповой шетки (1) Triturus cristatus. А-в ядре (зародышевом пузырьке) ооцита с многочисленными ядрышками (2). Б фрагмент стадии конъюгации двух гомологичных хромосом: 3-хиазма; 5-гомологичные нити; 4-сестринские нити. В-хромосомы из клеток тела при том же увеличении, что и Б. Г-схема возможной структуры: 6-ДНК в виде тонкой цепочки, окруженной петлями РНК (7) и белка (8); 9-хромомероподобные узлы (А-В по Callan, Г по разным авторам)/. Хромосомы типа ламповых щеток представляют собой гигантские хромосомы (длиной до 1 мм) с особым характером активности. Эти хромосомы встречаются в ядрах ооцитов позвоночных (см. рис. 15) и в сперматоцитах дрозофилы. Правда, в последнем случае такое строение имеет только необходимая для нормального развития спермиев Y-xpoмосома. Структура ламповой щетки характерна для диплотены профазы мейоза. На этой стадии, длящейся у тритонов (Triturus) до 200 дней, спаренные гомологичные хромосомы соединяются друг с другом только хиазмами (см. рис. 15,Б). От хроматид отходят петли, похожие на щетину ламповых щеток. Эти петли, как и диски политенных хромосом, имеют непериодичное видоспецифичное распределение. В диплоидном наборе Triturus образуется примерно 10000 петель. В вытянутом состоянии вся ДНК ядра достигает здесь длины 1400 см. В петлях транскрибируется ДНК и образуется РНК, с которой связываются белки. Таким образом созревающая яйцеклетка обеспечивается материалом для многочисленных ядрышек и, следовательно, рибосом. Кроме того, одновременно синтезируется мРНК, необходимая для синтеза белков после оплодотворения.