До сих пір ми говорили про ДНК, про її будову, про те, як вона кодує спадкові ознаки, але не сказали, як влаштовані хромосоми у бактерій і бактеріофагів.
Бурхливий розвиток генетики і цитології не могло обійти стороною це питання. Як часто бувало і раніше, генетичні експерименти і тут часом випереджали цитологічні. Ще цитологи не вміли виділити хромосоми бактерій, ще не могли розглянути їх в електронному мікроскопі, а генетики на основі своїх дослідів вже створювали уявлення про те, як побудовані хромосоми бактерій і фагів.
Ці уявлення не вкладалися у звичні схеми, всі вивчені раніше хромосоми вищих організмів - тварин і рослин - мали подібну будову: паличкоподібні структури, по-різному викривлені, однаково фарбувальні. А в дослідах генетиків з бактеріями і фагами виходило, що в бактеріях хромосоми зовсім не палички, а замкнуті кільця. Це було і новим і незрозумілим.
Перш ніж вчені на власні очі переконалися, що хромосоми бактерій і фагів мають форму кільця, це багато раз доводилося побічно - і хіміками, і фізиками, і генетиками. Тому, коли з'явився перший знімок хромосоми, де вона дійсно лежала, згорнувшись в кільце, ніхто особливо не звертав на це уваги.
Вперше припущення про те, що хромосоми бактерій і фагів - кільцеві, висловили Жакоб і Вольман. Сталося це в такий спосіб.
Англійський вчений Хейс вивчав процеси обміну генетичними ознаками у бактерій. Він схрещував між собою різні бактерії і дивився, що виходить. Були у нього, скажімо, бактерії, які могли розвиватися в присутності стрептоміцину (їх називали стійкими до стрептоміцину мутантами) і, крім того, мали ще одну мутацію А +. Хейс вирішив схрестити їх з бактеріями, які не ростуть в присутності стрептоміцину і мають мутацію А-.
Виявилося, що від такого схрещування можна отримати клітини, які мають відразу мутацію А - і стійкість до стрептоміцину. А ось отримати клітку з мутацією А + і чутливістю до стрептоміцину не вдалося жодного разу. Виходило, що бактерії були як би різними. Одні з них передавали свої ознаки, інші - ні.
Хейс назвав ці бактерії чоловічими і жіночими. Зі своїх дослідів він зробив і інший важливий висновок: існує полярність передачі ознак. Коли статеві клітини вищих організмів запліднюють один одного, їх хромосоми попросту зливаються. У бактерій інша справа. З клітини батька чоловіча хромосома проникає всередину жіночої, і можна по годинах відзначати вступ нових і нових генів всередину материнської клітини. Через 10 хвилин після початку контакту між клітинами в жіночу клітку входить ген А, через 15 хвилин - Б, ще через п'ять хвилин - В і так далі, поки за півтори-дві години все гени від однієї клітини не переходять до іншої.
Обидва припущення Хейса згодом підтвердилися.
Вчені виділили багато жіночих і чоловічих ліній і напали інтенсивно їх схрещувати. Тут і вийшов казус, який не можна було пояснити інакше, ніж припущенням, що хромосома бактерій існує у вигляді кільця.
Щоб не вдаватися в тонкощі генетичних термінів і позначень, припустимо, що ми перенумерували все гени в хромосомі бактерії. Їх вийшло двадцять. Якби в клітці була одна хромосома в вигляді палички, то ознаки бактерій завжди передавалися б наступним чином: спочатку перший, потім другий - і так далі, аж до двадцятого. Але виявилося, що в різних дослідах гени передавалися по-різному. Іноді, дійсно, спочатку йшов перший, а за ним інші: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, а іноді передача починалася звідки-небудь з середини, наприклад: 5, 6, 7, 8, 9, 10 , 11, а потім обривалася.
Коли накопичилося багато відомостей про порядок передач ознак, були отримані приблизно такі ряди:
9, 10, 11, 12, 13, 14
16, 17, 18, 19, 20, 1,2, 3.
Поки цих рядів не накопичилося достатньо, у вчених складалося враження, що гени в хромосомах бактерій розташовані безладно.
Але коли до цих рядах придивилися уважніше, то побачили важливу особливість. Їх, дійсно, можна було звести в один ряд, якщо припустити, що хромосома бактерії у вигляді кільця, яке можна розірвати в будь-якому місці, і тому будь-який з генів може бути переданий першим.
Здається, все зрозуміло. Однак здивованих питань не поменшало. Перш за все, що значить «можна розірвати кільце хромосоми в будь-якому місці»? Як розірвати? Що ж, кожен раз кільце рветься, перш ніж здійснюється схрещування? А в результаті чого рветься кільце?
Нарешті, Хейс і Жакоб і Вольман внесли ясність. Вони довели, що кільце справді рветься щоразу перед схрещуванням. Знайшли вони і що «рве» хромосому. Виявилося, в чоловічих клітинах є невеликі частинки, які назвали чинниками статі (F-факторами). Зазвичай чинники статі існують в клітці окремо від кільцевої хромосоми. (До речі, фактор статі і визначає чоловічу або жіночу природу клітини).
Коли фактор статі приєднується до хромосоми, вона розривається і фактор статі починає грати роль поштовху. Це нагадує звичайну картину на Волзі. Пливе довга-довга величезна баржа, до корми якої прилип буксир-штовхач. Здається, що така крихітка і не зрушить з місця величезну баржу, але насправді штовхач якось непомітно підштовхує її ззаду, і вона бадьоро рухається по волзьких хвилях.
Так і F-фактор, «вчепившись» в кінець розірваної хромосоми, «проштовхує» її в материнську клітину. Якщо ніщо не встигне відірвати клітини один від одного (а це найчастіше і відбувається), то в клітку матері може проникнути вся хромосома батька. Якщо контакт між клітинами порушиться, то в клітку матері перейде лише невеликий фрагмент хромосоми.
Різними способами і шляхами вчені підтвердили справедливість припущення, що хромосоми бактерій - кільцеві. А зараз для цілого ряду бактерій відомий навіть порядок розташування генів в кільцях. Деякі бактерії, що мешкають в травному тракті, наприклад кишкова паличка і сальмонела, так схожі, що коли дивишся на їх хромосоми, то з першого погляду не помічаєш різниці - так збігаються в них гени. Лише де-не-де можна побачити маленькі незбіжні шматочки.
Так на молекулярному рівні стало виправдовуватися давно висловлене положення, що еволюція йшла за рахунок ледве помітних, точкових змін спадковості. Припущення це було висловлено ще Дарвіном, а потім твердо встановлено видатним радянським генетиком професором Сергієм Сергійовичем Четверикова в 1926 році.
Історія відкриття кільцевих хромосом у бактеріофагів була не менш цікавої. Причому, якщо найвагоміше слово на користь кільцеподібної хромосом бактерій сказали генетики, то для фагів це слово прозвучало з вуст біохіміка - американського вченого Сінсхаймера. Різними способами він вивчав структуру хромосоми найменшого з бактеріофагів - # 966; Х174. Цей фаг частіше називають коротко «фіксом» (від перших букв фі і ікс). Він має хромосому у вигляді одного ланцюжка ДНК. Пам'ятайте, коли ми розповідали про структуру ДНК, то говорили, що вона може бути одне - і двухнитевой. У фікса вона якраз однониткових.
Серед ферментів, виявлених в клітці, були знайдені такі, які руйнували ДНК. Але кожен з них робив це по-різному: одні рвали ДНК в середині, інші відщеплювали нуклеотиди з кінців, треті поділяли полімерну молекулу на однакові шматки. Коли Сінсхаймер спробував відірвати від ДНК фікса нуклеотиди з кінця молекули за допомогою відповідного ферменту, у нього, на його подив, нічого не вийшло. З кінців хромосоми нічого не відривався.
Тоді Сінсхаймер вирішив перевірити: а чи не сидять на кінцях хромосоми якісь «білкові шапочки», які просто не дають цього ферменту підступитися до ДНК. У хід пустили інший фермент, який «з'їдав» білки, але не чіпав ДНК, і спробували після цього почати «кусати» ДНК з кінців за допомогою першого ферменту. Якби справа була в екранування нуклеїнової кислоти білком, то тепер, після застосування ферменту, що з'їдає білки, ДНК обов'язково зруйнувалася б. Однак все залишилося як і раніше - фермент, що рве ДНК з кінців, відмовлявся розривати ДНК хромосоми фікса. Тоді Сінсхаймер застосував для вивчення хромосом цього фага фізичні методи. Він спробував подивитися, як будуть вести себе фіксовие хромосоми, якщо їх почати облогу в ультрацентрифуге. На подив ученого, хромосоми вели себе не як палички, а скоріше як колечка.
Після цього всі колишні невдачі стали зрозумілі. Звичайно, справа не в білку і не в чому-небудь іншому. Просто фермент рве ДНК з кінців, а у ДНК фікса ніяких кінців немає. Хромосома цього фага кільцева.
Нагадаємо, що за попередніми гіпотезами вважалося, ніби побудова нових ниток ДНК йде наступним чином. Водневі зв'язки, які утримують разом дві нитки ДНК, розриваються, і до вільних кінців починають розбудовуватися партнери - до аденіну тимін, а гуаніну цитозин і т. Д. Так як спочатку ДНК була двунітевая, то на що розійшлися двох одиночних нитках і починається добудова «дзеркальних» копій і, врешті-решт, утворюються дві абсолютно однакові подвійні ланцюги нуклеїнової кислоти. Точно так же уявляли собі і освіту інформаційної РНК. Раз обидві нитки ДНК можуть будувати собі копію при розмноженні, то чому б їм не будувати собі подібним чином РНК? Спочатку те, що обидва процеси йдуть саме так, не викликало сумнівів. Але коли стали розбиратися ретельніше, то безтурботна ясність зникла. Судіть самі. Ми весь час виходили з повною рівноправності ниток. А чи так це? Припустимо, що, записавши на одній нитки на мові підстав наступну фразу: АТГТААЦАГТЦА, «ми записали яку-небудь ознаку (наприклад, колір волосся). Але ж на другий нитці буде записано не те ж саме, а ТАЦАТТГТЦАГТ, тому що підстави на одній нитки точно задають підстави на інший, так як правило, що аденін з'єднається з тиміном і тільки з тиміном, а гуанін з цитозином і тільки з цитозином, має завжди виконуватися. Тому, Новомосковський фразу в одній нитки, ми отримаємо один набір амінокислот (пам'ятаєте, кожній амінокислоті відповідає своя трійка нуклеотидів), а Новомосковськ другу нитку - зовсім інший. І вийде, що перша трійка верхньої нитки дасть нам аспарагин, а відповідна їй трійка в нижній нитки - глутамінової кислоти. Тому те, що утворюється на першій нитці, матиме зовсім інший сенс, ніж те, що дасть друга. Вірніше, одна дасть осмислену фразу, а інша - як би її дзеркальне відображення.
Виникло питання: що ж, в клітці Новомосковскются обидві нитки - і смислова, і безглузда? І якщо обидві, то навіщо потрібна безглузда?
Коли Сінсхаймер виявив, що в Фіксе нуклеїнова кислота представлена тільки однією ниткою, висновок напрошувався сам собою: потрібна тільки одна нитка. Обходиться ж фікс однією ниткою.
Однак дуже скоро знову-таки Сінсхаймер знайшов, що однониткових ДНК фікса, входячи в клітку, щоб почати розмножуватися, перш за все перетворюється в так звану «репликативную форму» - інакше кажучи, добудовує собі другу пити, і лише після цього починається розмноження ДНК фікса.
Незабаром американський біохімік Берг провів синтез РНК в пробірці і засвідчив: так, обидві нитки ДНК беруть участь в утворенні месенджера. Начебто все стало зрозумілим.
Однак процеси всередині клітини можуть йти зовсім по-іншому, ніж в пробірці. Як дізнатися, що відбувається в клітці?
На цьому етапі досліджень знову виявилася дуже зручною модель фага фікс. Адже у зрілого фага тільки одна нитка ДНК. А в клітці, зараженої цим фагом, знаходяться тільки подвійні нитки ДНК цього ж фага, їх реплікативні форми. Якщо зуміти виділити з клітини окремо реплікативні форми фаговой ДНК, інформаційну РНК фага і після цього зуміти зчепити І-РНК з ДНК, то, напевно, все визначиться? До цього часу був розроблений метод так званої гібридизації нуклеїнових кислот. Дві нитки, родинні один до одного, зчіплювалися водневими нитками і утворювали двухнітевая структуру. Якщо ж нитки не були близькі одна одній, то таких гібридів не утворювалося.
У лабораторії Спігельмана почали вивчати синтези інформаційної РНК в клітинах, заражених фіксом, потім виймати цю РНК і намагатися зчепити з однонитчатим і двунитчатой ДНК (з репликативной формою). Були виконані найтонші експерименти.
І в результаті виявилося, що фагів І-РНК схожа тільки на одну з ниток репликативной форми, причому зовсім не на ту, яка прийшла з частки фага, що заразила клітку. Виходило, що синтезувалася ця І-РНК на добудованої в клітці копії вихідної молекули ДНК.
Ми розповіли про маленького фаге Фікс, але сьогодні вже відомо, що і такий великий бактеріофаг, як Т4, також має кільцеву хромосому. Той же результат отримано і для вірусів тварин. Кільцева хромосома знайдена у вірусі полі-оми. Можна очікувати, що скоро список розшириться і стане ясно, чи всі фаги і віруси мають кільцеві хромосоми.
Поділіться посиланням з друзями