ГЕН

ГЕН (от греч. γένος – род, про­ис­хо­ж­де­ние), еди­ни­ца ге­не­тич. ма­те­риа­ла, не­де­ли­мая в функ­цио­наль­ном от­но­ше­нии; уча­сток мо­ле­ку­лы ДНК (у не­ко­то­рых ви­ру­сов – РНК), ко­ди­рую­щий пер­вич­ную струк­ту­ру мо­ле­ку­лы бел­ка, транс­порт­ной, ри­бо­сом­ной или к.-л. дру­гой РНК. В оби­ход­ном смыс­ле Г. – лю­бой на­следств. за­да­ток, пе­ре­да­вае­мый из по­ко­ле­ния в по­ко­ле­ние и оп­ре­де­ляю­щий чер­ты сход­ст­ва ме­ж­ду пред­ка­ми и по­том­ка­ми. Тер­мин «Г.» пред­ло­жил В. Ио­ган­сен в 1909 для обо­зна­че­ния осо­бых, «от­де­ли­мых друг от дру­га и в си­лу это­го са­мо­стоя­тель­ных еди­ниц или эле­мен­тов», оп­ре­де­ляю­щих свой­ст­ва ор­га­низ­мов. Т. о., пред­став­ле­ние о Г. вос­хо­дит к пред­став­ле­нию о на­следств. фак­то­рах, или за­дат­ках, Г. Мен­де­ля (1865). Со­глас­но хро­мо­сом­ной тео­рии на­след­ст­вен­но­сти, обос­но­ван­ной Т. Мор­га­ном в 1920-х гг., Г. рас­по­ла­га­ют­ся в ли­ней­ной по­сле­до­ватель­но­сти в хро­мо­со­мах. Ка­ж­дый Г. пред­став­лен од­ним из сво­их ва­ри­ан­тов, на­зы­вае­мых ал­ле­ля­ми. Мор­ган счи­тал, что Г. – это еди­ни­ца му­та­ции (при му­ти­ро­ва­нии Г. пе­ре­хо­дит из од­но­го ал­лель­но­го со­стоя­ния в дру­гое как еди­ное це­лое); еди­ни­ца ре­ком­би­на­ции, или крос­син­го­ве­ра (ре­ком­би­на­ция про­ис­хо­дит толь­ко ме­ж­ду Г., а не внут­ри Г.); еди­ни­ца функ­ции, т. е. кон­тро­ли­ру­ет еди­ную, да­лее не­де­ли­мую функ­цию, оп­ре­де­ляе­мую на ос­но­ва­нии функ­цио­наль­но­го тес­та на ал­ле­лизм. По­след­ний пред­став­ля­ет со­бой фор­маль­но-ге­не­тич. про­це­ду­ру, в ко­то­рой пу­тём скре­щи­ва­ния объ­еди­ня­ют му­та­ции двух раз­ных ро­ди­те­лей и ис­сле­ду­ют фе­но­тип гиб­ри­да. При му­тант­ном фе­но­ти­пе гиб­ри­да му­та­ции от­но­сят к од­ной и той же функ­цио­наль­ной еди­ни­це (к од­но­му Г.), при нор­маль­ном фе­но­ти­пе – к раз­ным функ­цио­наль­ным еди­ни­цам (к раз­ным Г.). Этот кри­те­рий ал­ле­лиз­ма, пред­ло­жен­ный Мор­га­ном в 1920-е гг., про­дол­жа­ет ис­поль­зо­вать­ся в ге­не­тич. ис­сле­до­ва­ни­ях.

Пред­став­ле­ния о Г. от­ра­жа­ют со­стоя­ние и раз­ви­тие ге­не­ти­ки на всех эта­пах её ис­то­рии. От­кры­тие ин­ду­ци­ро­ван­но­го му­та­ге­не­за у дро­зо­фи­лы (Г. Мёл­лер, 1927) по­зво­ли­ло по­лу­чать му­та­ции в боль­шом ко­ли­че­ст­ве и бо­лее плот­но на­сы­щать ими хро­мо­со­мы, что уве­ли­чи­ва­ло раз­ре­шаю­щую спо­соб­ность гиб­ри­до­ло­ги­че­ско­го ана­ли­за. Бы­ло ус­та­нов­ле­но, что ал­лель­ные му­та­ции в од­ном Г. спо­соб­ны ре­ком­би­ни­ро­вать ме­ж­ду со­бой и, сле­до­ва­тель­но, Г., как функ­цио­наль­ная еди­ни­ца, име­ет слож­ную струк­ту­ру, час­ти ко­то­рой му­ти­ру­ют са­мо­стоя­тель­но и от­де­ли­мы друг от дру­га крос­син­го­ве­ром. Пер­вые дан­ные о слож­ной струк­ту­ре Г., по­лу­чен­ные шко­лой А. С. Се­реб­ров­ско­го в 1930-е гг. в СССР, бы­ли в 1940–50-е гг. под­твер­жде­ны и в др. ла­бо­ра­то­ри­ях ми­ра.

На­ме­тив­ший­ся в рам­ках хро­мо­сом­ной тео­рии кри­зис в по­ня­ти­ях о Г. на­шёл раз­ре­ше­ние в рам­ках мо­ле­ку­ляр­ной ге­не­ти­ки. Пер­вый им­пульс раз­ви­тию это­го на­прав­ле­ния да­ла ра­бо­та Н. В. Ти­мо­феева-Ре­сов­ско­го, нем. био­фи­зи­ка К. Цим­ме­ра и М. Дельб­рю­ка (1935), ко­то­рые на ос­но­ва­нии ис­сле­до­ва­ния му­та­ци­он­но­го про­цес­са, ин­ду­ци­ро­ван­но­го у дро­зо­фи­лы ио­ни­зи­рую­щи­ми из­лу­че­ния­ми, при­шли к вы­во­ду, что Г. пред­став­ля­ет со­бой мак­ро­мо­ле­ку­лу, ко­то­рая в ре­зуль­та­те му­та­ций пе­ре­хо­дит в но­вое ал­лель­ное со­стоя­ние. В 1943 Дж. Бидл и Э. Тей­тем сфор­му­ли­ро­ва­ли прин­цип «один Г. – один фер­мент», свя­зав­ший струк­ту­ру Г. и кон­тро­ли­руе­мых ими бел­ков-фер­мен­тов. Иден­ти­фи­ка­ция ДНК как уни­вер­саль­но­го но­си­те­ля ге­не­тич. ин­фор­ма­ции (амер. учё­ные О. Эй­ве­ри, К. Мак-Ле­од и М. Мак­кар­ти, 1944), вы­яс­не­ние струк­ту­ры ДНК (Дж. Уот­сон и Ф. Крик, 1953), а так­же де­таль­ное ис­сле­до­ва­ние тон­кой струк­ту­ры ге­на С. Бен­зе­ром (1961) по­зво­ли­ло рас­смат­ри­вать Г. как уча­сток мо­ле­ку­лы ДНК, ко­ди­рую­щий пер­вич­ную струк­ту­ру бел­ка. Даль­ней­шее раз­ви­тие тео­рия Г. по­лу­чи­ла с от­кры­ти­ем мат­рич­ной (ин­фор­ма­ци­он­ной) РНК, вы­яс­не­ни­ем ме­ха­низ­ма син­те­за бел­ка и рас­шиф­ров­кой ге­не­ти­че­ско­го ко­да Ф. Кри­ком с со­труд­ни­ка­ми, М.Ни­рен­бер­гом и Х.Ко­ра­ной, а так­же С. Очоа и др. (1961–65). Так сфор­ми­ро­ва­лась па­ра­диг­ма ДНК – РНК – бе­лок, оп­ре­де­ляю­щая путь реа­ли­за­ции ге­не­тич. ин­фор­ма­ции от Г. к при­зна­ку. По­ня­тие струк­ту­ры Г. как не­пре­рыв­ной ко­ди­рую­щей по­сле­до­ва­тель­но­сти нук­лео­ти­дов ДНК пред­став­ля­лось уни­вер­саль­ным для всех жи­вых су­ществ.

Позд­нее это ока­за­лось спра­вед­ли­вым толь­ко для эу­бак­те­рий. В 1977 Ф. Шарп и Р. Ро­бертс по­ка­за­ли, что у эу­ка­ри­от и их ви­ру­сов, а так­же у ар­хе­бак­те­рий Г. со­сто­ит из уча­ст­ков, ко­ди­рую­щих (эк­зо­ны) и не ко­ди­рую­щих (ин­тро­ны) струк­ту­ру по­ли­пеп­тид­ной це­пи. Ха­рак­тер­ные раз­ли­чия в ор­га­ни­за­ции ге­но­ма про- и эу­ка­ри­от вы­ра­жа­ют­ся так­же в том, что Г. про­ка­ри­от час­то объ­е­ди­не­ны в опе­ро­ны (от­кры­ты Ф. Жа­ко­бом и Ж. Мо­но в кон. 1950-х гг.), то­гда как Г. эу­ка­ри­от обыч­но пред­став­ля­ют со­бой еди­ни­цу транс­крип­ции, ре­гу­ли­руе­мую са­мо­стоя­тель­но. Уни­вер­саль­ность функ­цио­наль­ной ор­га­ни­за­ции Г. бы­ла по­ко­леб­ле­на от­кры­ти­ем пе­ре­кры­ваю­щих­ся ге­нов у ви­ру­сов, а так­же тем фак­том, что не­ко­то­рые ко­до­ны ге­не­тич. ко­да име­ют раз­ное зна­че­ние у раз­ных ор­га­низ­мов и да­же в од­ной и той же клет­ке эу­ка­ри­от – в яд­ре и в ми­то­хон­д­ри­ях. Под­верг­лись ре­ви­зии и не­зыб­ле­мые ра­нее пред­став­ле­ния о по­сто­ян­ст­ве ли­ней­но­го рас­по­ло­же­ния Г. в хро­мо­со­мах. У мно­гих ор­га­низ­мов об­на­ру­же­ны мо­биль­ные ге­не­ти­че­ские эле­мен­ты (впер­вые опи­са­ны в 1950 Б. Мак-Клин­ток у ку­ку­ру­зы), спо­соб­ные пе­ре­ме­щать­ся по ге­но­му и пе­ре­но­сить Г. в но­вые мес­та. Кро­ме то­го, Г. ока­зал­ся из­мен­чи­вым в хо­де он­то­ге­не­за, как по­ка­зал в кон. 1970-х гг. С. То­не­га­ва, ис­сле­до­вав­ший ге­не­тич. кон­троль син­те­за им­му­ног­ло­бу­ли­нов и ус­та­но­вив­ший, что уча­ст­ки ДНК, рас­по­ло­жен­ные у взрос­лых мы­шей в ви­де не­пре­рыв­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти, раз­де­ле­ны в их эм­брио­нах и по­ло­вых клет­ках и что об­ра­зо­ва­ние им­му­ног­ло­бу­ли­нов свя­за­но с пе­ре­та­сов­кой и сбор­кой их ге­нов. В ге­но­мах боль­шин­ст­ва ор­га­низ­мов об­на­ру­же­ны по­вто­ряю­щие­ся по­сле­до­ва­тель­но­сти нук­лео­ти­дов, ка­за­лось бы, ни­че­го не ко­ди­рую­щие и со­став­ляю­щие, по дан­ным ге­но­ми­ки, бо­лее 90% ДНК, как, напр., у не­ко­то­рых зла­ков. Боль­шое вни­ма­ние при­вле­ка­ют Г., ко­ди­рую­щие не­боль­шие мо­ле­ку­лы РНК (ок. 20 нук­лео­ти­дов), уча­ст­вую­щие в ре­гу­ля­ции экс­прес­сии ге­не­тич. ин­фор­ма­ции у эу­ка­ри­от.

Сме­ще­ние ак­цен­тов в раз­ра­бот­ке тео­рии Г. на мо­ле­ку­ляр­ный уро­вень и воз­ник­но­ве­ние ге­но­ми­ки по­ро­ди­ли но­вые по­ня­тия и тер­ми­ны, лишь кос­вен­но свя­зан­ные с клас­сич. ге­не­ти­кой: нук­лео­тид­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти, от­кры­тые рам­ки счи­ты­ва­ния, кон­сен­су­сы, ре­гу­ля­тор­ные, миг­ри­рую­щие, те­ло­мер­ные, ав­то­ном­но-ре­п­ли­ци­рую­щие­ся и др. эле­мен­ты ге­но­ма. По­пыт­ки пря­мо­го со­под­чи­не­ния «мо­ле­ку­ляр­ных» и клас­сич. ге­не­тич. по­ня­тий час­то ока­зы­ва­ют­ся без­ус­пеш­ны­ми. По­это­му на­ря­ду с по­ня­ти­ем «Г.», в его ис­ход­ном по­ни­ма­нии как функ­цио­наль­ной еди­ни­цы на­след­ст­вен­но­сти, всё ча­ще ис­поль­зу­ют тер­мин «ге­не­ти­че­ские эле­мен­ты», ко­то­рые со­став­ля­ют су­ще­ст­вен­ную часть ге­но­ма, но не мо­гут быть иден­ти­фи­ци­ро­ва­ны на ос­но­ва­нии стан­дарт­ных ге­не­тич. про­це­дур и клас­сич. кри­те­ри­ев оп­ре­де­ле­ния ге­на.