1. Аллелизм және аллелизм критерийі

Бір геннің әр түрлі күйін аллельдер деп атайды. Мутацияла-ну нәтижесінде ген екіден артық (көптік аллелизм қүбылысы, 13-тарауды қараңыз) күйде бола алатыны белгілі.

Мынадай сұрақтың тууы заңды нәрсе: белгілі бір белгінін. көрінісін өзгертетін, бір-бірінен тәуелсіз пайда болған қандай да екі мутацияның аллельді немесе аллельсіз екенін, яғни олардың бір генде немесе әр түрлі генде пайда болғандығын іс жү-зінде қалай анықтауға болады? Аллелизмнін, критерийі қандай? Бүл сүрақтарға алғаш рет Т. Морган жауап берді. Ол алле-лизмнің екі критерийін ұсынды: функционалдық (немесе комп-лементарлық) және рекомбинациялық.

Функционалдьщ критерийі әр түрлі гендердің өзгерісі бар екі мутантты шағылыстырғанда бірінші үрпақтың буданы — әрбір геннің қалыпты аллельдерінің басым болуына байланыс-ты жабайы фенотипі бар дигетерозигота пайда болатынына негізделеді. Мұндай жағдайда зерттелетін мутациялардың қа-лыпты аллельдері бір-біріне комплементарлы деп есептеу қа-былданған. Сонымен қатар, егер шағылыстырылатын мутанттарда бір геннің аллельдері болса, компаундта жабайы тип пайда болмайды. Мысалы, екі мутантты — ақ және сарғыш күзен-ді шағылыстырғанда барлық будандар қоңыр реңді, яғни жа-байы фенотипті болады. Ақ күзенді басқа мутанттық форма —■ платина реңдес күзенмен шағылыстырғанда да барлық будан-дар платина реңдес, яғни мутантты фенотипті болады. Демек, бірінші жағдайда комплементарлық, яғни аллель еместік; ал екінші жағдайда — комплементарлықтың жоқтығы, яғни ал-лельдік байқалады. Бүл жайында «Генетиканың практикалық сабақтарына басшылықта» толығырақ жазылған.

Әр түрлі гендердеғі мутациялар ғана өзара рекомбинациялана алады деген түсінік рекомбинацияльщ тестің негізіне алынды. Морган мектебінің зерттеушілері, функционалдық (гетеро-зигота — мутантты фенотип) және рекомбинациялық (рекомби-нация жоқ) критерийлер сақталған жағдайларда мутациялар-ды аллельді деп есептеді, Геннің қүрылымы туралы түсініктің өзгеруіне байланысты аллелизмнің критерийі де анықталды, ол туралы алда айтылатын болады.

2. Геннің құрылымы

Сатылы аллелизм. Бүрын ойлағанға қарағанда геннің зор функционалдық тұрақсыздығын білдіретін көптік аллелизм қүбылысының табылуы (13-тарауды қараңыз) геннің күрделілі-гін көрсететін алғашқы дәлелдемелердің бірі болды.

1929—1930 жылдары біздің елімізде А. С. Серебровский мен оның жас қызметкерлері — Н. П. Дубининнің, Б. Н. Сидоровтың және т. б. жүмыстарында геннің функционалдық күрделілігі түңғыш рет эксперимент арқылы көрсетілді. Авторлар дрозофиладан жыныстық хромосоманың нольдік нүктесіне шо-ғырланған локустың зсиіе көптік аллельдер сериясын зерттеді. Бұл локустың 5С¹, 5С³ және басқа мутациялары шыбын дене-сіндегі әр түрлі қылшықтардын, редукциялануына себепші бола-

ды. ==^5 және ==|= особьтарын шағылыстырғанда екі генге жатқызылуы мүмкін екендігі көрсетілді, Мутациялар жүрген барлық 300 нүкте көрсетілді, мүның ішінде кейбір нүктелерде олар өте жиі болған (мысалы, зерттелген 149 мутация-ның 123-1 бір нүктеде өткен). Мұндай нүктелер немесе-орындар «негізгі дақтар» деген атаққа ие болды. Ген ішінде мұндай нүктелердің орналасуы кездейсоқ қүбылыс емес.

Әр түрлі объектілердің «негізгі нүктелерінің» ортақ белгіле-рі болатынын, яғни бірдей нуклеотидтердің ДНК тізбегіне, мы-салы, А Ц А А А А А А Г, яғни 6 адениннің қатар шоғырланаты-нын зерттеулер көрсетті. Бұл мәліметтер бірдей нуклеотидтер-дің ДНК-де орналасу реті осы локустардың жоғары жиілікте мутациялануының себебі болуы мүмкін деп жорамалдауға мүм-кіндік береді.

Геннің молекулалық құрылысы. Геннің шамасын, яғни онда-ғы нуклеотидтер жүбының санын және оның минимальды моле-кулалық массасын шамамен есептеп шығаруға болады. Қазіргі уақытта Г₄ фагының 50-ден астам гені белгілі. Объектіні зерттеу барысында гендер саны арта түсері сөзсіз. Ол екі еселенеді деп жорамалдауға болады. Бүл фаг ДНК-ның молекулалық массасы 120Х^0⁶-ға тең. Демек, бір геннің молекулалық массасы 1 X 10⁶ шамасында болады. Нуклеотидтердің бір жүбының молекулалық массасы 600-ден сәл асатындықтан, бүл ген орта есеппен алғанда нуклеотидтердің сызықтық орналасқан 1500 жұбынан түратындығын білдіреді. Жуықтатылып алынған бүл есептеулер геннің атқаратын қызметі мен оның мөлшері (500— 6000 нуклеотид) туралы осы кездегі түсініктермен жақсы үйле-седі. С. Бензер Г₄ фағының г II ауданы картасының генетикалық және физикалық (молекулалық) масштабтарын салыстырып, Т₄ фагының рекомбинация бірлігіне ең артық дегенде нуклео-тидтердің екі жүбы келетінін, ал жекелеген нуклеотидтер мута-циялар бірлігі болуы тиістігін есептеп шығарды.

Аллель аралық комплементация. 50-жылдардың аяғында функционалдық тест аллелизмнің абсолюттік критерийі бола алмайтыны көрсетілді. Бір геннің кейбір мутациялары транс жағдайда комплементарлы болуы мүмкін, яғни гетерозиготалы күйдегі (а¹/а²) мутанттық аллельдер жабайы немесе оған жа-қын типтің фенотипін анықтауы мүмкін. Бүл құбылыс ген іші-лік немесе аллелъ аралық комплементация деп аталды. Аллель аралық комплементация механизмі әлі жеткілікті зерттелмеген. Алайда, бұл жағдайда жабайы тип белгІлерінің пайда болуы цитоплазмада белоктар — екі мутанттық аллельдер өнімдері-нің арасындағы езара әсер ету есебінен өтетіндігі көрсетілді. Мүндай өзара әсер ету молекулалары үқсас суббірліктерден тұратын ферменттер (белоктар) үшін ғана мүмкін болады. Бүл жағдайда гетерозиготалы особьта ұқсас, бірақ әр түрлі кемші-ліктері (мутанттық) бар суббірліктер ферменттің бір молеку-ласына бірігеді және осы кезде езара түзету процесі жүреді: белоктың ферменттік активтілігі қалпына келеді. Бұл эффект ашытқы, нейроспора және басқа микроорганизмдер үшін, содай-ақ дрозофила үшін де көрсетілген. Ол өзін-өзі іп юііго өнді-реді.

* * *

Сонымен, геннің құрылысы күрделі екендігі айқын, ол крос-синговерде бөлінетін бірлік болып табылады да, мутациялану бірлігі болып саналмайды. Алайда белок молекуласын оны маманданған қызметінен айырмайынша бөліктерге бөлуге болмайтыиы секілді, тұқым қуалау информациясының бірлігі ре-тінде ген де атқаратын қызметі жағынан бөлінбеген күйінде қалады. Аллелизмнің қолданылыр жүрген функционалдық және рекомбинациялық критерийлері' салыстырмалы.

17-тарау. ГЕНЕТИКАЛЫҚ КОД

ДНҚ геннің ерекше компоненті болып табылатындығын дә-лелдейтін сенімді мәліметтер алынған соң мынадай мәселелер алға койылды: ДНҚ-ның тенетикалық қүрылымы (тұқым қуа-лау информациясын жеткізущі ретінде гениің алғашқы функ-циясы) қағідай? ДНҚ организмнің онтогенездегі белгілері мен қасиеттерін (екінші функциясы) қалай анықтайды?

Мендель — Морганның ген ■— белгі постулаты генетикалық зерттеулердің негізгі өзегі болды. Гендердің көпшілігі ерекше белок-ферменттер синтезін бақылайтындьғғы көптеген микроор-ганизмдерден көрсетілді: гендер мутациясы ең алдымен тиісті ферменттер активтілігінің езгеруінен немесе жойылуынан бай-қалады. 13-тарауда айтылғанындай, адамда фенилкетонурия және т. б. осы секілді аурулардың пайда болуы жекелеген ген-дердің мутациялануы салдарынан ферменттік қызметтің бүзы-луымен байланысты болады. Бұл фактілер Г. Бидл мен Е. Та-тумға «бір ген — бір фермент» қағидасын үсынуға мүмкіндік берді. Қазіргі уақытта бұл қағиданы әрбір белок үшін оның қүрылымы мен активтілігін бақылап отыратын ген болады деп түсіну керек.

Алынған жаңа фактілердің әсерімен бүл қағида одан әрі нақтыланып, анықтала түсті. Адам гемоглобинінің терт — екі а және екі |3 тізбектен түратын молекуласындағы әрбір тізбек генетикалық жолмен жекелей бақыланатыны анықталды. Осы және осыған үқсас басқа да фактілер «бір ген — бір полипеп-тидтік тізбек» деген неғұрлым дәл постулатты енгізуге мүмкін-дік берді. Ал енді полипептидтік тізбекте, дәлірек айтқанда генетикалық түрғыдан не бақыланатынын анықтап көрейік. Адам қанының тұқым қуалайтын зілді ауруы — орақша-клет-калы анемия ауруы кезінде — мутацияның нәтижесінде гемо-глобиннің қасиеті езгереді. Бүл жағдайда 574 амин қышқылы-ның қалдығынан тұратын гемоглобин молекуласында бір ғана алмасу өтеді: глутамин қышқылын валин алмастырады. Осыдан келіп, ген полипептидтік тізбектің амин қышқылды қүрамын, демек, олар түзетін белоктарды бақылайды деген қорытынды жасауға болады.

1. ДНК-ның ГЕНЕТИКАЛЫҚ ҚҰРЫЛЫСЫ

Жүйелілік болжамы. ДНҚ-да информация қалай жазылған? Бұл сұраққа жауап беру үшін, бір жағынан, ДНК молекуласы-ның (2-тарауды қара) екінші жағынан, белоктардың құрылы-сын еске түсіру керек. ДНК-нің құрамына оның ерекшелігін айқындайтын 4 негіз (аденин және гуанин — пуринді, тимин жәие цитозин — пиримидинді негіздер) кіреді. Белоктардын, құрамына 20 амин қышкылы кіреді. Міне осылар, полипептид-тік тізбектегі осылардың орналасу жүйелілігі белок молекула-ларының алғашқы күрылымыи ғана емес, сондай-ақ оның төр-тінші құрылымына дейінгі бүкіл кейінгі қүрылымын, демек, белоктардың бүкіл алуан түрлілігі мен ерекшелігін анықтайды. Сонымен, нуклеотидтердің ДНК-да орналасу жүйелілігінде амин қышқылдарының белок молекуласында орналасу жүйёлі-лігі туралы тұқым қуалау информациясы жазылуы мүмкін деп жорамалдауға болады.

Бүл қағиданы жүйелілік болжамы түрінде Ф. Крик дамыт-ты. «Жүйелілік болжамының» әділдігі, атап айтқанда, Ч. Янов-ский мен оның қызметкерлерінің жүмыстары арқылы дәлелден-ді. Авторлар Езсһегісһіа соіі-дегі триптофансинтетаза фермен-тін бақылайтын локуетың нәзік қүрылымын зерттеп, ДНК молекуласындағы нуклеотидтер жүйелілігінің өзгеруі болып са-налатын тоғыз мутацияны тапты. Мутанттық форманың белок-ферментіндегі амин қышқылдарының орналасу 'жүйелілігін зерттеу оның ДНК-дегі нуклеотидтер жүйелілігінің өзгеруіне параллельді өзгеретінін көрсетті, яғни геннің және ол бақылайтын белоктьң колинеарлығы дәлелденді.

Бірақ тұқым қуалау информациясы ДНҚ-да қалай жазыл-ған, қалай шифрланған? Генетикалық информацияның гендер-де кодпен ¹ жазылғандығы туралы идеяны алғаш рет 1954 жы-лы Д. Гамов айтқан.

Генетикалық кодтың негізгі белгілері. Генетиктердің, био-химиктердің, цитологтар мен басқа да мамандардын, күш салуы арқасында қазірғі уақытта генетикалық кодтың негізгі белгіле-рі бөлгілі болды.

Код ең алдымен триплетті болып табылады, яғни әрбір амин қышқылын үш негіз (кодон) кодпен береді. Төрт негізден 3-тен әр түрлі 64 комбинация жасауға болатынын қарапайым есептеу көрсетеді, бүл 20 амин қышқылын кодпен жазуға толық жетжі-лікті^Бірақ, теориялық есептеулерден басқа, Ф. Крик пен оиың қызметкерлері ішек таяқшасын зақымдайтын Г₄ фагының гІІ мутациясын зерттеуде кодтың триплетті екендігіне тікелей эксрерименттік дәлелдемелер алды.

Шуклеотидтердің үш жүбының ұштасуын авс деп белгілейік. Бүдан соң мүндай триплеттер ДНК молекуласының кесіндісінде бір жүйелілікпен қайталанып отырады деп есептейік: Бір объектіні басқа объектілердің жәрдемімен бейнелеуді кибернетика-да кодпен жазу деп атайды.

авс авс авс \ авс... , ^ Енді, мутация жүрді, мысалы, артық нуклеотид а қосылды (стрелкамен көрсетілген) деп есептейік, егер код солдан оңға қарай, яғни әрқашан да бір бағытта үштікпен оқылатын болса, онда («тексті») триплеттерді оқудың бүкіл бұдан былайғы тәр-тібі бүзылады:

авсаавсавсавс-^-авс аав сав сав...Осыдан кейін бастапқы мутациядан сәл оңға таман белгілі бір негіздің, мысалы, с-тің (стрелкамен көрсетілген) түсіп қалға-нын білдіретін жаңа мутация пайда болды дейік:авсаавсававс-^авс аав сав авс...Бүл жағдайда екі мутацияның арасындағы учаскеде ғана (стрелкалармен көрсетілген) «текст» бүзылады, ал учаскенің қалған бүкіл үзына бойына бұрынғы оқу тәртібі сақталады. Қү-рамына бірнеше өзгерген триплеттер кіретін геннің осы бөлігі қандай да бір жауаптылығы шамалы функцияны атқаратын болса, онда белгілі бір шағын учаскеде кодтың бұзылуы ақырғы нәтижеге айтарлықтай әсер етпейді деп түсінуге болады. Мүндай екі өзгерісі бар особьтарда жабайы типке жуықтайтын федртип болады, бүл жағдай эксперимент арқылы көрсетілді.

? Егер код шын мәнінде триплетті болса, негіздердің екі қосиасының (немесе ₍екі түсіп қалуының) комбинациясы/алдыңғы жағдайдан өзгеш^, әрқашан да мутантты фенотип беруі тиіс. Бүл да эксперименттік жолмен дәлелденген. Егер жабайы типтің Г₄ фагында нуклеотидтердің (2-жол) және олар. арқылы анықталатын амин қышқылдарының (1-жол) жүйелілігі мына-дай:

Лиз Сер Про Сер Лей Асп Ала ААА АГУ ЦЦА УЦА ЦУУ ААУ ГЦУ болса, Г және У (жақшамен белгіленген) екі нуклеотидін қос-қанда мынадай жүйелілік алынады:

ААА АГУ ГУЦ ЦАУ ЦАЦ УУА АУГ Лиз Сер Вал Гис Гис Лей Мет. Осыған орай белоктың (төменгі жол) амин қышқылдық қүра-мы да өзгереді, бүл жағдай мутация ретінде тіркелген.

Сонымен, шағылыстыру нәтижелері барлық жағдайларда алдын ала болжанған нәтижелерге сай келді, бұл кодтың трип-леттігі туралы болжамның дәлелі болды.

Алдыңғы пікірлерден байқалғанындай, код бірін-бірі жаба алмайды, яғни белгілі бір нуклеотид көршілес екі триплеттін. құрамына бір мезгілде ене алмайды. Бүл Криктің біз айтып әт-кен жүмыстарында эксперименттік жолмен дәлелдендьі Алайда бүл қағиданы дәлелдейтін тікелей эксперименттер де жүргізіл-ді. Азотты қышқылдың жәрдемімен темекі мозаика вирусынан бір ғана негіздің (цитозин урацилге) алмасуына байланысты болатын мутация алынды. Осы вирус синтездейтін қабықшаның белогында бір ғана амин қышқылының өзгерісі көрсетілді. Адамның мутанттық гемоглобинін талдағанда да осындай нә-тижелер алынды.

/Келтірілген есептеулерге сүйенсек (20 амии қышқылына 64 кодон) код «өзгерген» болуы тиіс, яғни белгілі бір амин қыш-қылын бірнеше кодон анықтауы тиіс. Бұл есептеулер сондай-ақ «мәнсіз» триплеттердің, яғни амин қышқылдарының бірде-біреуін кодпен белгілемейтін /гриплеттердің болатынын болжауға мүмкіндік береді. Бұл болжамдар эксперименттік жолмен дә-лелденді, олар туралы кейінірек айтылады.

Кодтың өзіне тән сипаты: оны оңу арқашан да белгілі бір пункттен басталады. Г₄ мутантты фагының рекомбинациясын зерттеу арқылы Крик бұған да эксперименттік дәлел тапты. ^

Негіздер қосылатын және түсіп қалатын эксперименттерде код үтірсіз оқылатыны, яғни бір нуклеотид түсіп қалатын бол-са„ оқу кезінде оның орнын кәршілес кодонның жақын орналас-қан нуклеотиді алатыны, осының арқасыида бүкіл оқу тәртібі өзгеретіні керсетілді.

Соңғы жылдары ДНК молекуласын нукл.еотидтері белгілі бір жүйелілікпен орналасқан жерлерден (мысалы, аденин мен гуанин аралығынан) езіне тән ерекшелікпен қиып түсетін фер-мент-рестриктазаны пайдаланғанда фХ174 фагында бірін-бірі жабатын гендер болатындығы жәнінде жаңа мәліметтер алын-ды. Бүл осы фаг ДНК-ның шамамен алғанда 5400 нуклеотидтен түратын молекуласында гендер былай орналасқан: геннің бас-тапқы үш нуклеотиді басқалары үшін аралық болып табыла-тындай болып орналасқан. Мүнда осы гендер нуклеотидтерінің триплеттері сәйкес келмейді. Мысалы,

Алайда, бірін-бірі жабатын гендер табиғатта қаншалықты жиі кездеседі және олардың ролі қандай деген мәселелер әлі де шешілмеген куйде қалуда.