Путь информации от генотипа к фенотипу
Как мы видели, репликация служит для передачи информации новым поколениям. С другой стороны, информация, записанная в ДНК (в генотипе), обеспечивает образование фенотипических признаков организма, трансформируется в фенотип. Это направление потока информации имеет гораздо более сложную природу и включает два других типа матричных биосинтезов — транскрипцию и трансляцию.
- От генотипа к фенотипу.
Классическая генетика пользуется такими фенотипическими признаками, как окраска цветка, форма крыльев у дрозофилы, длина шерсти у овец и т. п. Такие признаки не позволяют анализировать механизм трансформации генотипа в фенотип в терминах молекулярных процессов. Но вот в 1902 г. английский врач Гар-род опубликовал исследования по алкаптонурии у человека. Для этой болезни характерно выделение с мочой значительных количеств гомогентизиновой кислоты, которая, окисляясь кислородом воздуха, образует черный пигмент. Болезнь врожденная, и ее обычно обнаруживают по появлению черных пятен на пеленках.
Гаррод установил, что алкаптонурия наследуется как рецессивный единичный, не сцепленный с другими признак. Отсюда следовал вывод, что гены контролируют простые биохимические реакции. Значительно позднее (1958 г.) выяснилась причина накопления гомогентизиновой кислоты: это вещество оказалось промежуточным продуктом распада тирозина Гомогентизиновая кислота у здоровых людей превращается в фумарилацетоук-сусную кислоту при действии оксидазы гомогентизиновой кислоты. У больных алкаптонурией этот фермент отсутствует или его активность очень низка, поэтому превращения тирозина останавливаются на этой стадии. Теперь можно было заключить, что гены контролируют синтез ферментов, и связь между геном и фе-нотипическим признаком представить следующим образом:Некоторые продукты реакции проявляются как непосредственно видимые фенотипические признаки классического типа, например пигмент цветка. Однако первым продуктом гена может быть не обязательно фермент, а любой белок, свойства которого определяют тот или иной фенотипический признак. Например, от зрительного пурпура (родопсина) сетчатки глаза зависит способность воспринимать свет, от синтеза фибриллярных белков кератинов зависит образование шерсти или рогового покрова, и т. д.
В 40-50-е годы XX в. это представление о связи между генотипом и фенотипом было экспериментально подтверждено на многих ферментах и других белках разных организмов; результаты нашли отражение в афористической формуле: один ген — один белок.
Но каким образом гены контролируют синтез белков? Можно представить два механизма: а) ген просто включает и выключает синтез белка; б) ген содержит инструкцию о строении белка.
В решении этого вопроса помогло исследование другой наследственной болезни человека — серповидно-клеточной анемии. Л. Полинг (США) в 1949 г. обнаружил, что гемоглобин таких больных отличается от гемоглобина здоровых людей по электрофоретической подвижности. Как стало ясно позднее, это различие обусловлено заменой 6Glu -* Val в р-цепи гемоглобина. Отсюда следовал вывод, что ген определяет первичную структуру белков. При этом информация, записанная с помощью определенного чередования нуклеотидных остатков, переводится в информацию, записанную чередованием аминокислотных остатков. Это можно сравнить с переводом записи, сделанной азбукой Морзе, на буквенную запись.
ДНК в клетках эукариот сосредоточена главным образом в ядре, а синтез белков обнаруживается и в частях клетки, не содержащих ДНК. Роль промежуточного переносчика информации от ДНК к местам синтеза белка выполняют рибонуклеиновые кислоты. Направление потока информации в клетке от генотипа к фенотипу представляют так: ДНК -* РНК -* белки. Иначе говоря, ДНК служит матрицей для синтеза РНК, а РНК — матрицей для синтеза белков (см. рис. 4.1). Это положение называют основным постулатом молекулярной биологии.