Ген

ГЕН (от греческого γ?νος - род, происхождение), единица генетического материала, неделимая в функциональном отношении; участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов - РНК), кодирующий первичную структуру молекулы белка, транспортной, рибосомной или какой-либо другой РНК. В обиходном смысле ген - любой наследственный задаток, передаваемый из поколения в поколение и определяющий черты сходства между предками и потомками.

Термин «ген» предложил В. Иогансен в 1909 году для обозначения особых, «отделимых друг от друга и в силу этого самостоятельных единиц или элементов», определяющих свойства организмов. Таким образом, представление о гене восходит к представлению о наследственных факторах, или задатках, генах Менделя (1865).

Согласно хромосомной теории наследственности, обоснованной Т. Морганом в 1920-е годы, гены располагаются в линейной последовательности в хромосомах. Каждый ген представлен одним из своих вариантов, называемых аллелями. Морган считал, что ген - это единица мутации (при мутировании ген переходит из одного аллельного состояния в другое как единое целое); единица рекомбинации, или кроссинговера (рекомбинация происходит только между генами, а не внутри гена); единица функции, то есть контролирует единую, далее неделимую функцию, определяемую на основании функционального теста на аллелизм. Последний представляет собой формально-генетическую 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 гену), при нормальном фенотипе - к разным функциональным единицам (к разным генам). Этот критерий аллелизма, предложенный Морганом в 1920-е годы, продолжает использоваться в генетических исследованиях.

Представления о гене отражают состояние и развитие генетики на всех этапах её истории. Открытие индуцированного мутагенеза у дрозофилы (ген 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 гене способны рекомбинировать между собой и, следовательно, ген, как функциональная единица, имеет сложную структуру, части которой мутируют самостоятельно и отделимы друг от друга кроссинговером. Первые данные о сложной структуре гена, полученные школой А. С. Серебровского в 1930-е годы в СССР, были в 1940-50-е годы подтверждены и в других лабораториях мира.

Наметившийся в рамках хромосомной теории кризис в понятиях о гене нашёл разрешение в рамках молекулярной генетики. Первый импульс развитию этого направления дала работа Н. В. Тимофеева-Ресовского, немецкого биофизика К. Циммера и М. Дельбрюка (1935), которые на основании исследования мутационного процесса, индуцированного у дрозофилы ионизирующими излучениями, пришли к выводу, что ген представляет собой макромолекулу, которая в результате мутаций переходит в новое аллельное состояние. В 1943 году Дж. Бидл и Э. Тейтем сформулировали принцип «один ген - один фермент», связавший структуру гена и контролируемых ими белков-ферментов. Идентификация ДНК как универсального носителя генетической информации (американские 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 ген как участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру белка. Дальнейшее развитие теория гена 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 генетической информации от гена к признаку. Понятие структуры гена как непрерывной кодирующей последовательности нуклеотидов ДНК представлялось универсальным для всех живых существ.

Позднее это оказалось справедливым только для эубактерий. В 1977 году Ф. Шарп и Р. Робертс показали, что у эукариот и их вирусов, а также у архебактерий ген 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 гены прокариот часто объединены в опероны (открыты Ф. Жакобом и Ж. Моно в конце 1950-х годов), тогда как ген эукариот обычно представляют собой единицу транскрипции, регулируемую самостоятельно. Универсальность функциональной организации гена была поколеблена открытием перекрывающихся генов у вирусов, а также тем фактом, что некоторые кодоны генетического 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 генов в хромосомах. У многих организмов обнаружены мобильные генетические элементы (впервые описаны в 1950 Б. Мак-Клинток у кукурузы), способные перемещаться по геному и переносить ген в новые места. Кроме того, ген оказался изменчивым в ходе онтогенеза, как показал в конце 1970-х годов С. Тонегава, исследовавший генетический 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, например, у некоторых злаков. Большое внимание привлекают гены, кодирующие небольшие молекулы РНК (около 20 нуклеотидов), участвующие в регуляции экспрессии генетической информации у эукариот.

Смещение акцентов в разработке теории гена на молекулярный уровень и возникновение геномики породили новые понятия и термины, лишь косвенно связанные с классической генетикой: нуклеотидные последовательности, открытые рамки считывания, консенсусы, регуляторные, мигрирующие, теломерные, автономно-реплицирующиеся и другие элементы генома. Попытки прямого соподчинения «молекулярных» и классических генетических понятий часто оказываются безуспешными. Поэтому наряду с понятием «ген», 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 генетических процедур и классических критериев определения гена.

Лит.: Морган Т. Г. Теория гена. Л., 1927; Lewin В. Genes. Oxf., 1944; Carlson Е. А. The gene: acritical history. Phil., 1966; Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М., 1978; Лъюин Б. Гены. М., 1987; Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. М., 1989; Сингер М., Берг П. Гены и геномы: В 2 т. М., 1998; Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика. 2-е изд. Новосиб., 2003.