Специфичность гена как функциональной единицы определяется последовательностью оснований его ДНК. Первым проявлением активности гена, приводящей в конечном итоге к возникновению у особи того или иного признака, является «переписывание» заключенной в ДНК информации с помощью фермента РНК-полимеразы с образованием сходно построенной молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Этот процесс называется транскрипцией. РНК отличается от ДНК двумя признаками: в качестве сахара вместо дезоксирибозы в РНК представлена рибоза, и роль тимина (Т) выполняет пиримидиновое основание урацил (U). Остальные три азотистых основания в РНК те же, что и в ДНК (A, G, С). Транскрипция, как и репликация, начинается расплетением двойной спирали ДНК (рис. 40):

Рис 40. /Транскрипция и трансляция. Внизу-транскрипция, считывается одна нить расплетенной двойной спирали ДНК. Н-свободные нуклеотиды, служащие строительным материалом для мРНК; азотистые основания: А-аденин С-цитозин, G - гуанин, Uурацил.  Вверху-трансляция, мРНК в контакте с рибосомой (Р); относительное перемещение показано стрелками. Молекулы тРНК ( структура клеверного листа) временно соединяются с аминокислотами (АК): .Ala аланин, Val-валин, Phe- фенилаланин. Вверху справа свободные АК( Pro - пролин, Ser-серин). Вверху слева-уже соединенные в пептидную цепь (ПЦ) АК (Gly-глицин, Leu - лейцин и т. д.). тРНК включает антикодон (АКо), соединяющийся на время с триплетами кодонов (Ко), тРНК, в третьем положении иногда может  содержать инозин (I). Вверху слева-тРНК после отделения АК (частично по Crick). Одна из высвобождающихся при этом ее цепей служит для РНК-полимеразы матрицей, определяющей порядок последовательно соединяемых между собой нуклеотидов РНК. Как и при репликации ДНК (рис. 8), специфическое спаривание оснований (A-U; G-С) обеспечивает их комплементарную матричной последовательность в новосинтезируемой цепочке. На образующиеся в результате транскрипции молекулы РНК переходит содержащаяся в наследственном веществе ДНК информация. Затем они отделяются от ДНК хромосомы, попадают в кариоплазму, а оттуда-в цитоплазму. Для некоторых РНК-онковирусов доказана возможность и РНК-зависимого, обусловленного «обратной транскриптазой» синтеза ДНК. При этом вирусная информация передается синтезируемой ДНК, которая может встраиваться в геном клетки-хозяина и реплицироваться вместе с ним.

По размеру молекул и функциональному значению выделяют 3 типа РНК. Информационная, или матричная, РНК (мРНК) служит кодом, посредством которого ген определяет формирующийся признак. Рибосомная РНК (рРНК), накапливающаяся в ядрышке, вместе с белками участвует в построении рибосом. Транспортная РНК (тРНК) выполняет следующие функции. За транскрипцией следует трансляция. В ходе нее «язык оснований» кода мРНК переводится на «язык аминокислот» пептидов и белков. Синтез кодируемых мРНК (а следовательно, косвенно генами) пептидных цепей представляет собой образование первичных продуктов наследственных факторов, непосредственно определяющих формирование признака. Трансляция связана с многочисленными структурами и биохимическими реакциями. Рис. 40 дает сильно упрощенное и схематизированное представление об этом процессе. Наряду с различными ферментными системами и переносящими энергию соединениями в нем участвуют 20 различных аминокислот, служащих материалом для построения пептидных и белковых цепочек, и по крайней мере такое же количество вариантов низкомолекулярной тРНК. Различные молекулы тРНК присоединяют к себе и доставляют к рибосомам строго определенные аминокислоты. Рибосомы в соответствии с закодированной в мРНК информацией обеспечивают сборку из них пептидных цепей со специфическими последовательностями аминокислотных остатков. Репликацию, транскрипцию и трансляцию можно экспериментально блокировать антибиотиками. Митомицин препятствует репликации. Актиномицин D связывается с гуанином ДНК, в результате чего не может присоединяться РНК-полимераза и не формируются продукты транскрипции. Как ингибиторы трансляции действуют наряду с другими веществами пуромицин и циклогексимид.

Генетический код расшифрован (табл. 2) в результате исследований, проведенных на микроорганизмах, особенно на бактерии Escherichia coli.  Таблица 2. Генетический код. 2-е положение:

Группа из трех оснований мРНК (триплет), называемая кодоном, определяет место включения специфической аминокислоты в пептидную цепь, синтезируемую в процессе трансляции (см. выше рис.40). При этом молекула тРНК должна иметь два особых участка. Один из них отвечает за присоединение одной из 20 аминокислот, а другой, антикодон, на Триплетные комбинации азотистых оснований мРНК (U, С, A, G) определяют следующие аминокислоты: Phe - фенилаланин, Leu-лейцин, 11е-изолен- цин, Met-метионин, Val-валин, Ser-серин, Рго-пролин, Thr- треонин, А1а- аланин, Туг-тирозин, His-гистидин, Gin - глутамин, Asn-аспарагин, Lys- лизин, Asp-аспарагиновая кислота, Glu- глутаминовая кислота, Cys - цистеин, Try-триптофан, Arg-аргинин, Gly-глицин. Звездочкой обозначены стартовые кодоны; триплеты ochre, amber и opal действуют как «стоп-кодоны» (по Crick) непродолжительное время связывается с кодоном мРНК. Например, тРНК с антикодоном ААА доставляет к рибосоме аминокислоту фенилаланин, которая встраивается туда, где находится кодон UUU или UUC. Для «процесса считывания» постулировано перемещение рибосом и мРНК относительно друг друга. Если бы для определения положения аминокислоты требовалось только одно основание, четыре такие «буквы» в составе мРНК могли бы контролировать выстраивание в определенной последовательности лишь четырех составных элементов белка. Пары оснований могли бы обеспечить 16 различных комбинаций; для 20 аминокислот этого, очевидно, недостаточно. Триплетный код дает 64 комбинации. Все они используются, что приводит к избыточности (так называемой вырожденности) кода, заключающейся в кодировании одной и той же аминокислоты несколькими различными триплетами (например, фенилаланина-триплетами UUU или UUC). Некоторые кодоны обладают особыми функциями-они служат сигналами начала и конца считывания (см. табл. 2), определяя тем самым начало и конец пептидной цепочки. Каждая такая цепь может быть связана с одним структурным геном, занимающим определенный участок молекулы ДНК (рис. 37):

Триплеты кода при считывании не перекрываются. Это значит, например, что в последовательности AGCCAAU отдельные аминокислоты определяются триплетами AGC и САА или GCC и AAU, но не AGC и GCC или ССА и GAA. Кроме того, доказано, что последовательности оснований кода и аминокислот кодируемой цепи колинеарны. Это означает, что, если в пределах гена (цистрона) известны различные мутации, соответствующие изменения аминокислотного состава обнаруживаются в том же порядке. Генетический код, установленный для бактерий, справедлив и для эукариот. Эта его универсальность, при которой у всех организмов одинаковые кодоны определяют одинаковые аминокислоты, доказана многими экспериментами. Поэтому несущие аминокислоты молекулы тРНК из Е. coli будут функционировать в бесклеточной системе, содержащей мРНК, рибосомы, ферменты и т. п. из молодых эритроцитов кролика, таким образом, что синтезируется белок гемоглобина кролика. При введении этой мРНК в яйцеклетку шпорцевой лягушки (с. 138) будет также синтезироваться гемоглобин кролика. Универсальный язык генов говорит о том, что в процессе эволюции он возник лишь однажды.

ОТ  ГЕНА  к  ФЕНУ.

ГЕН  как  ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ  ЕДИНИЦА. Мутации в последовательности оснований генетической единицы должны приводить к изменению полипептидной цепи. В простейшем случае, т. е. при точечной мутации (см. выше рис. 37, А), заменяется только одно основание. В результате в коде нарушается специфичность одного триплета, что влияет только на одну аминокислоту. Такие мутации  доказаны для молекул гемоглобина человека. Наряду с пигментом (гемом) в их состав входит белок-по две одинаковые а- и P-цепи (на рис. 44 это относится к гемоглобину взрослого индивида):

В построении a-цепи участвует 141 аминокислота, а Р-цепи-146. В нормальном гемоглобине А в шестом положении P-цепи находится глутаминовая кислота. При серповидноклеточной анемии сюда «ошибочно» встраивается валин. Можно предположить, что в результате мутации вместо нормального кодона GAA (или GAG) в гене серповидных эритроцитов появляется кодон GUA (или GUG) (табл. 2). Другая мутация, затрагивающая P-цепь, установлена для триплета 63. В таком «цюрихском гемоглобине», особо чувствительном по отношению к лекарствам из группы сульфонамидов, гистидин замещен аргинином. Для a-цепи также выявлены различные точечные мутации, приводящие к заменам отдельных аминокислот. На сегодняшний день известно более 100 аберрантных форм гемоглобина. Если каждая пара цепей гемоглобина кодируется собственным геном, причем каждый из них мутирует в разных участках, этот пример можно использовать как модель строения и принципа действия менделирующих наследственных факторов. «Классические менделирующие гены» представляют собой функциональные единицы, состоящие из мутирующих субъединиц. Опыты на микроорганизмах и на дрозофиле показали, что эти субъединицы могут быть отделены друг от друга внутригенным кроссинговером.

Рис. 41. /Вверху-цистрон white Drosophila melanogaster с некоторыми псевдоаллелями цвета глаз: wBwx (коричневатый), wbf (рыжий), wcal (изменчивый), и“ (абрикосовый), w (белый), w‘ (эозиновый), wck (вишневый), ivsp (пятнистый). Расстояния (частоты рекомбинации) даны в долях морганиды. Внизу - положение и размер цистрона white (w) на левом конце Х-хромосомы (ср. рис. 31):

Соседние гены: у (желтый цвет тела), rst (грубые глаза), swb (глаза в форме земляники), N (зазубренные крылья). Над генными локусами указаны расстояния на генетической карте (map distances) от левого конца/. Рис. 41 показывает это на примере одного из генов дрозофилы. Полная функциональная единица, которая в немутировавшем состоянии (ген w+) обусловливает дикую красную окраску глаз, имеет длину не менее 0,026 морганид. В пределах этой области отмечаются многочисленные мутации, связанные с самыми разнообразными аллелями, дающими окраску глаз, промежуточную между красной (у дикой формы) и белой (аллель white). Мутации, затрагивающие различные участки гена и разделяемые кроссинговером, связывают с так называемыми псевдоаллелями (например, wа и wc). Об истинных аллелях говорят тогда, когда вся имеющаяся информация подтверждает присутствие мутаций в одной и той же субъединице (в одном «сайте») гена (например, w и wc).

Рис. 42. /Цис-транс-эффект для двух псевдоаллелей локуса white Drosophila melano- gaster (cp. рис. 41). А гомозиготы: внизу в кругах обозначен цвет глаз (красный у дикого типа, абрикосовый, белый). Б- в цис-положении глаза дикого типа (красные). В-в транс-положении возникает мутантный, промежуточный между w а и w цвет/. Как показано на рис. 42, Б и В, в зависимости от положения псевдоаллелей различают гетерозиготы двух типов. Если в гомологичных хромосомах псевдоаллели лежат друг против друга (транс-положение), затрагиваются обе функциональные единицы и тип становится «мутантным». Если же псевдоаллели лежат рядом в одной хромосоме (цис-положение), проявляются признаки дикого типа, так как имеющаяся наряду с ними немутировавшая функциональная единица обеспечивает формирование нормального первичного продукта. Генетическая функциональная единица, характеризующаяся таким "цис-транс- эффектом", называется "цистроном". Если как функциональные единицы рассматривать гены, все они в широком смысле слова, вероятно, представляют собой цистроны, кодирующие в зависимости от обстоятельств «свои» пептидные цепочки. Однако приравнивание цистрона гену означает также, что «ген» не является ни единицей мутации (мутоном), ни единицей рекомбинации (реконом). Мутации возможны в любом участке гена, и кроссинговер, очевидно, может происходить между отдельными основаниями повсюду. Молекулы ДНК, которые как отдельные функциональные единицы в процессе транскрипции и трансляции определяют специфичность пептидных цепочек, называют структурными генами. Наряду с ними в хромосомах имеются участки ДНК с иными функциями; одни из них кодируют рРНК, другие-тРНК. Ещё одна категория генов определяет активацию или инактивацию соответствующих структурных генов. Такие контрольные, или регуляторные, гены, однако, до сих пор достоверно обнаружены только у микроорганизмов. Т.к. установлено, что и у высших организмов на определенных этапах развития и в специализированных клетках работают не все структурные гены, какие- то контрольные факторы, очевидно, и здесь «включают» или «выключают» их в соответствующее время и в нужном месте.

ПОВТОРЯЮЩАЯСЯ  ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ДНК  и АМПЛИФИКАЦИЯ  ГЕНОВ. Классическое представление, согласно которому в гаплоидном хромосомном наборе, если не считать случайных дупликаций, за определенную функцию отвечает только один ген, верно по отношению не ко всем структурным генам. Гены, кодирующие рРНК, тРНК и гистоны, представлены многочисленными копиями, т. е. повторяющимися последовательностями, локализованными прежде всего в гетерохроматине (рис. 43) и в области ядрышкового организатора:

Рис. 43. /Авторадиография гибридизации РНК/ДНК. Радиоактивная рРНК шпорцевой лягушки (Xenopus) гибридизируется с ДНК в хромосомах слюнных желез двукрылого Rhyrtchosciara. Метятся (черные точки) только гетерохроматиновые концы (1); в эухроматине заметны диски (3), мечения не происходит; 2 - Х-хромосома; 4-аутосома (схематично по Pardue et al.)/ Для выявления повторяющихся последовательностей двухцепочечную ДНК разделяют на комплементарные цепи кратковременным нагреванием или повышением pH (денатурация). Если раствор с денатурированной ДНК оставить при 60-70 °С на некоторое время, комплементарные последовательности снова соединяются друг с другом благодаря соответствию своих оснований, и в результате опять образуется двухдепочечная ДНК {ренатурация). Это воссоединение происходит за счет случайного столкновения комплементарных цепочек в растворе, поэтому степень ренатурации зависит от продолжительности реакции. Скорость ее определяется температурой, концентрацией солей, длиной нуклеотидных цепочек и прежде всего концентрацией имеющихся комплементарных последовательностей. Если, например, в одном растворе определенная последовательность ДНК встречается в 10 раз чаще, чем другая, можно ожидать, что она в 10 раз быстрее ренатурирует с образованием двухцепочечного фрагмента. Многократно повторяющаяся последовательность может соединяться таким способом со всеми одинаковыми последовательностями, соответствующими ее бывшему партнеру. Неповторяющиеся последовательности, напротив, должны найти единственного партнера, вероятность чего гораздо меньше. Из экспериментов по ренатурации можно сделать следующие выводы. В противоположность прокариотам, где последовательности представлены в единственном числе или очень небольшим числом копий, большая часть генома всех изученных до сих пор эукариот состоит из повторяющихся последовательностей ДНК. Количество копий варьирует при этом от очень небольшого числа до нескольких миллионов, причем эти последовательности имеют длину от 10 до 50000 нуклеотидов. Их количество и длина видоспецифичны. Такие последовательности в большинстве случаев не полностью идентичны, но очень сходны по порядку нуклеотидов. О функциональном значении большинства повторяющихся последовательностей до сих пор не известно ничего определенного. Значительная часть их, во всяком случае, никогда не транскрибируется. Этим последовательностям приписывали какую-то роль в построении области центромеры, мейотической коньюгации и генной регуляции. Присутствие повторяющихся копий генов, кодирующих рибосомные и транспортные РНК, кажется понятным, если учитывать большую потребность клетки в этих молекулах. Показано также, что гистоновые гены повторяются тандемно. Одноцепочечная ДНК соединяется в экспериментах и с комплементарной ей РНК. С помощью такой РНК- ДНК-гибридизации удалось установить специфическое умножение числа (амплификацию) генов, кодирующих рРНК, в ооцитах амфибий и некоторых других организмов. При этом содержание рДНК увеличивается в 1000-4000 раз. Исходные матрицы для амплифицируемых генов у амфибий локализуются в области ядрышкового организатора (с. 30). Точный механизм амплификации еще неизвестен, однако ясно, что образуемые экстракопии рДНК теряют связь с хромосомами. В ооцитах амфибий они находятся в многочисленных ядрышках, рРНК которых необходима для синтеза белков во время эмбрионального развития (см. рис. 15):

Уточнить локализацию повторяющихся последовательностей ДНК можно с помощью методики гибридизации in situ (рис. 43). При этом РНК с высокой удельной радиоактивностью гибридизируется с денатурированной ДНК хромосом. С помощью авторадиографии может быть определено положение в хромосомах (например, в гигантских хромосомах двукрылых) рДНК и других повторяющихся последовательностей.

РЕГУЛЯЦИЯ  АКТИВНОСТИ  ГЕНОВ. Было показано, сначала на микроорганизмах, что активность структурных генов может включаться или выключаться с помощью особых регуляторных, промоторных и операторных генов. Такая регуляторная система называется опероном.

До сих пор, однако, не удалось обнаружить соответствующую систему у высших организмов, хотя многочисленные факты говорят о том, что и у эукариот активности генов как-то контролируется. Установлено, в частности, что у Metazoa на определенной стадии развития у одного из типов клеток транскрибируется всего лишь около 20% структурных генов, а большая часть наследственной информации остается в репрессированном состоянии. Опыты по трансплантации ядер и слиянию клеток показывают, кроме того, что переход от активного к неактивному состоянию генов обратим. Многие специфические кодируемые генами белки в онтогенезе сначала не выявляются. Так, образование инсулина начинается только после дифференцировки поджелудочной железы, причем его продуцирует только один тип клеток (в островках Лангерганса). Впечатляющие изменения активности генов установлены в случае гемоглобинов (рис. 44):

Рис. 44. /Активность генов гемоглобина в ходе развития человека. По оси абсцисс-время от момента зачатия (3) до родов (Р) и после родов (в месяцах). По оси ординат-процентное содержание различных пептидных цепей (е, а, у, Р). Справа —схема сочетания глобиновых цепей (гем обозначен точкой) в эмбриональном (Э), фетальном (Ф) и взрослом (В) гемоглобине (по Huchns, Beaven)/. Их молекулы состоят из 4-х гемов (гем-пигмент, содержащий внутри порфиринового кольца атом железа) и двух пар пептидных цепей - глобинов. Цепи каждой пары идентичны, т. е. имеют одинаковую аминокислотную последовательность. Это значит, что они кодируются одним геном. У человека в процессе развития последовательно представлены, частично перекрываясь во времени, три типа гемоглобина. Сначала в клетках крови, образующихся в желточном мешке, формируется один (или несколько) эмбриональных гемоглобинов, зключающих 2е- и 2а-цепи. Этот тип сменяется фетальным гемоглобином, образующимся в молодых эритроцитах (ретикулоцитах) печени и содержащим 2у- и 2а-цепи. К концу беременности (рис. 44) активность у-гена снижается и включается P-ген. Это приводит к формированию гемоглобина взрослого человека с 2р- и 2а-цепями. Одновременно ретикулоциты начинают дифференцироваться не в печени, а в костном мозге. Изменения активности генов лежат в основе дифференцировки тех или иных клеток в нужном направлении на определенных стадиях онтогенеза. Вещества цитоплазмы яйцеклетки, индукторы и гормоны, по-видимому, играют при этом направляющую роль, но вряд ли они непосредственно запускают или останавливают транскрипцию. Согласно новым представлениям, доступ к гену во многих случаях (например, для пептидных гормонов) опосредуется циклическим аденозинмонофосфатом (сАМР). Синтез этого вещества, считающегося вторым посредником при передаче сигнала клетке, сначала катализируется наряду с прочим, гормонально активируемым ферментом клеточной мембраны аденилатциклазой. Затем сАМР вызывает целый каскад последовательных ферментативных реакций, по-видимому, ведущих к синтезу генотропных (действующих на ген) веществ, благодаря чему в конце концов начинается транскрипция. Вероятно, непосредственно влияют на ген связанные с ДНК белки, в частности генспецифичное регуляторное действие предполагается для негистоновых белков. В случае бактерий доказано, что такие белки обратимо связываются с определенными последовательностями ДНК и таким образом могут управлять активностью генов. Однако в настоящее время еще недостаточно понятны молекулярные механизмы, участвующие в контроле генной активности у высших организмов. Устранение этих неясностей помогло бы решить одну из фундаментальных проблем биологии.