Генетика

ГЕНЕТИКА (от греческого γ?νεσις - происхождение), наука о наследственности и изменчивости - универсальных свойствах живых организмов. Интегрирующее положение генетики среди других биологических наук обусловлено предметом её исследования, в большой степени определяющим все главные свойства живых существ. Благодаря открытиям в области генетики биология, наряду с физикой и химией, с началаа 20 век участвовала в формировании современного мировоззрения в естествознании. Термин «генетика» предложен в 1906 году У. Бэтсоном.

Изучение принципиальных закономерностей наследственности и изменчивости составляет содержание общей генетики. Исходя из объекта исследования различают частную генетику вирусов, бактерий, грибов, растений, животных, генетику человека, а в зависимости от уровня организации биологических объектов - цитогенетику, молекулярную генетику, феногенетику, или онтогенетику, популяционную генетику. Эволюционная генетика рассматривает изменения генетического материала различных организмов в ходе исторического развития жизни на Земле, опираясь на генетические факторы динамики популяций: наследственность, изменчивость, отбор и др. Прогнозирование и предотвращение нежелательных последствий хозяйственной деятельности человека - предмет генетической токсикологии, которая, в свою очередь, является разделом экологической генетики, изучающей генетические механизмы взаимодействия организмов в экосистемах. Познанием наследственных болезней и разработкой способов их ранней диагностики, позволяющей определить риски развития наследственных заболеваний и предотвратить возникновение патологии и гибель больного, занимается медицинская генетика. Методы и подходы генетики играют важную роль в развитии других разделов биологии, что отражается в названии различных направлений - иммуногенетика, онкогенетика, радиационная генетика, геносистематика и др.

Основной метод генетики - гибридологический анализ, который в значительной степени совпадает с методом генетического анализа. Развитие метода гибридологического анализа нашло отражение и в методах отдалённой гибридизации, позволяющих выяснять степень эволюционного родства организмов. Широкое распространение получили также методы гибридизации соматических клеток животных и растений. Рождение генетики стало возможным благодаря использованию математического метода (количественного подхода) при изучении результатов скрещиваний. Применение вариационной статистики для сравнения количественных данных эксперимента с теоретически ожидаемыми - неотъемлемая часть генетического анализа. Математические методы используют при изучении изменчивости и наследования количественных признаков, в компьютерном моделировании генетических процессов, происходящих в клетках, организмах и популяциях, в исследовании первичной структуры геномной ДНК и функции генов (смотри Биоинформатика, Геномика). На этой основе развивается новая область науки - системная биология. В исследовании структурно-функциональной организации генома применяют цитологический метод, методы молекулярной биологии, биохимии и физиологии, используемые для характеристики наследуемых признаков на уровне обмена веществ и клеточных структур, для изучения свойств белков и нуклеиновых кислот. Для этих же целей служат методы иммунологии и иммунохимии, позволяющие идентифицировать даже мизерные количества генных продуктов, прежде всего белков. Генетика  широко использует методы химии и физики: аналитического, оптического, седиментационного, изотопного анализа, различного рода метки для маркирования и идентификации макромолекул. Генетики, работающие с различными объектами, применяют методы зоологии, ботаники, микробиологии, вирусологии и других смежных биологических наук. Всё большее значение для развития генетики приобретают современные методы и подходы эволюционной биологии.

В генетике широко используют так называемые модельные объекты, т. е. линии и генетические коллекции видов с хорошо разработанной частной генетикой, удобные при изучении мутационного процесса, рекомбинации, регуляции действия гена и т. д. Одно из основных требований к модельным объектам - короткий жизненный цикл, большая плодовитость, обилие чётких, легко учитываемых признаков, разработанность методов генетического анализа. Наиболее удобные модельные объекты с полностью расшифрованными геномами - дрожжи рода Saccharomyces, нематода Caenorhabditis elegans, растение Arabidopsis thaliana (семейство крестоцветные). В качестве объекта для генетических экспериментов с млекопитающими обычно используют мышь.

Зарождение и основные этапы развития генетики. Первые представления о наследственности содержатся в трудах учёных античной эпохи. Уже к 5 веку до нашей эры сформировались две основные теории: прямого (Гиппократ) и непрямого (Аристотель) наследования. Теория прямого наследования, объяснявшая происхождение половых клеток от всех органов тела, просуществовала 23 века. Последней серьёзной вариацией на эту тему можно считать теорию пангенезиса (1868) Ч. Дарвина. В середине 19 века Г. Мендель предложил основополагающий метод генетики - генетический анализ. В 1865 году в экспериментах с горохом он открыл законы непрямого наследования признаков путём передачи их дискретных задатков (факторов), или генов, как их теперь называют. Эти открытия не были восприняты современниками и официальным годом рождения генетики считается 1900, когда Х. Де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак-Зейзенегг заново открыли законы Менделя, получившие всеобщее признание. Этому способствовало развитие клеточной теории во 2-й половине 19 века: описание поведения хромосом в ходе деления клеток (митоз, мейоз) и при оплодотворении у растений и животных, установление постоянства хромосомных наборов, возникновение (В. Ру, немецкие учёные Э. Страсбургер, О. Гертвиг) и доказательство (Т. Бовери) ядерной гипотезы наследственности. Созданная А. Вейсманом в основном умозрительная теория наследственности во многом предвосхищала хромосомную теорию. Ему принадлежит также объяснение биологического значения редукции числа хромосом в мейозе как механизма поддержания постоянства диплоидного хромосомного набора вида и основы комбинативной изменчивости у организмов, размножающихся половым путём.

В 1901 году Х. Де Фриз обосновал мутационную теорию, во многом совпавшую с теорией гетерогенеза С. И. Коржинского (1899). Согласно этой теории наследственные признаки не являются абсолютно постоянными, а могут скачкообразно изменяться вследствие мутации их задатков. В 1909 году В. Иогансен предложил называть менделевскую единицу наследственности (задаток) геном, совокупность генов - генотипом, или генетической конституцией, а совокупность признаков - фенотипом организма.

В 1920-х годах в экспериментах с плодовой мушкой (Drosophila melanogaster) Т. Х. Морган вместе со своими учениками (К. Бриджесом, Г. Мёллером и А. Стёртевантом) сформулировал хромосомную теорию наследственности и заложил основы теории гена - элементарного носителя наследственной информации. Н. И. Вавилов развил представления о природной внутривидовой изменчивости в своём законе гомологических рядов наследственной изменчивости (1920). Этот закон обобщил огромный фактический материал о параллелизме изменчивости близких родов и видов, связав воедино генетику и систематику на пути последующего синтеза генетики и эволюционного учения. В 1925 году теория мутационного процесса обогатилась открытием индуцированного мутагенеза: российские микробиологи Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов обнаружили влияние радиоактивного излучения на мутационный процесс у низших грибов, в 1927 году Мёллер продемонстрировал мутагенный эффект рентгеновских лучей в экспериментах с дрозофилой. Химический мутагенез был впервые открыт М. Н. Мейселем у дрожжей (1928), а вскоре В.В. Сахаровым и М. Е. Лобашёвым у дрозофилы (1932-34). Высокоэффективные химические мутагены, или супермутагены, были использованы в 1946 году И. А. Рапопортом (этиленимин) и английскими учёными Ш. Ауэрбах и Дж. Робсоном (азотистый иприт). Всё это значительно расширило возможности генетического анализа, увеличило его разрешающую способность. В тот же период Лобашёв (1946) предложил физиологическую гипотезу мутационного процесса, впервые связавшую механизмы мутагенеза с репарацией (восстановлением) клетки после повреждения.

В начале 1940-х годов Дж. Бидл и Э. Тейтем разработали основы биохимической генетики. Изучая у гриба Neurospora crassa мутации, нарушающие различные этапы клеточного метаболизма, они высказали предположение о том, что гены контролируют биосинтез ферментов (принцип «один ген - один фермент»). В 1944 году американские учёные О. Эйвери, К. Мак-Леод и М. Маккарти показали, что трансформирующим агентом, переносящим наследственные признаки между штаммами бактерий (пневмококков), являются молекулы ДНК. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот привело к рождению молекулярной генетики. Структуру молекулы ДНК (двойная спираль) в 1953 году расшифровали Дж. Уотсон и Ф. Крик, обобщившие данные рентгеноструктурного анализа, полученные в лабораториях М. Уилкинса и Р. Франклин, а также данные Э. Чаргаффа о химическом строении ДНК. Оказалось, что наследственная информация закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК, а гены отличаются друг от друга чередованием нуклеотидов. Мутации же представляют собой изменения в чередовании (последовательности) нуклеотидов. В комплементарности нитей двойной спирали ДНК заложена возможность репликации - воспроизведения генов. Доказательство роли ДНК в наследственности символизировало торжество матричного принципа воспроизведения генетического материала, предложенного ещё в 1928 году Н. К. Кольцовым. Дальнейшее развитие матричного принципа связано с открытием матричной (информационной) РНК (мРНК), с выяснением механизма синтеза белка и расшифровкой генетического кода (1961-65) Криком с сотрудниками, М. У. Ниренбергом, Х. Г. Кораной, а также С. Очоа и др. Значение матричного принципа в реализации генетической информации отражает «центральная догма молекулярной биологии» (ДНК→РНК→белок), сформулированная Криком в 1958 году. В 1961 году французские исследователи Ф. Жакоб и Ж. Моно предложили теорию оперона - представление о регуляции экспрессии бактериальных генов на уровне транскрипции.

В России исследования по генетике стали развиваться после 1917 года на основе двух научных школ - московской и петроградской (ленинградской). В 1919 году Ю. А. Филипченко основал первую в стране кафедру генетики в Петроградском университете, в 1921 организовал в Академии наук исследовательскую лабораторию по генетике, на базе которой в 1933 был создан Институт генетики Академии Наук СССР. В 1929 году он опубликовал первый учебник «Генетика», объединивший написанные им ранее книги: «Изменчивость и методы её изучения» и «Наследственность». В 1932 году в Ленинградском университете была открыта ещё одна кафедра - генетики растений; руководил ею Г. Д. Карпеченко, который впервые экспериментально объединил два генома разных видов растений, тем самым развив представления об отдалённой гибридизации и видообразовании у растений.

В 1920-30-е годы крупнейшим центром исследований по генетике стал Институт экспериментальный биологии в Москве. В этом институте выполнил свои основополагающие работы С. С. Четвериков, раскрывший значение мутационного процесса в природных популяциях. В 1929-32 годах учёные во главе с А. С. Серебровским, используя метод индуцированного мутагенеза, первыми показали сложную структуру гена на примере дрозофилы. Серебровский сформулировал также понятие о генофонде. В 1930 году он основал кафедру генетики в МГУ; в 1948 создал классический труд «Генетический анализ», увидевший свет только в 1970 году. Достижения советских генетиков и селекционеров в 1920-30-е годы получили мировое признание, но в конце 1930-х годов, при поддержке коммунистической партии и советского правительства в отечественной биологии стали распространяться псевдонаучные взгляды Т. Д. Лысенко, который выступал против «классической» генетики с позиций вульгарного ламаркизма. После сессии ВАСХНИЛ 1948 года генетика в СССР оказалась под запретом как «буржуазная лженаука». В результате этой абсурдной политики целое поколение было лишено нормального генетического образования и был нанесён большой ущерб развитию биологии, медицины и сельского хозяйства. Только после 1957 года стали вновь преподавать генетику и были организованы генетические исследовательские институты.

Современное состояние генетики. Современная генетика - одна из наиболее интенсивно развивающихся областей биологии. Открытие В. Арбером (1962) ферментов - эндонуклеаз рестрикции (рестриктаз) положило начало физическому картированию геномов (молекул ДНК), а также легло в основу одного из методов определения первичной структуры (секвенирования) ДНК. Этот метод создали в начале 1970-х годов американские исследователи А. Максам и У. Гилберт, использовавшие разработки А. Д. Мирзабекова и Е. Д. Свердлова. В 1973 году Ф. Сенгер предложил метод секвенирования, основанный на избирательной остановке репликации ДНК на каждом из входящих в её состав нуклеотидов. В 1960-70-х годах П. Берг и др. осуществили клонирование генов на основе техники рекомбинантной ДНК. Огромное значение имело открытие К. Маллисом (США) полимеразной цепной реакции (1983), позволившей избирательно синтезировать любой участок ДНК в препаративных количествах. Все эти методы легли в основу генетической инженерии.

Ферментативный анализ ДНК дополнился открытием Х. Теминым и Д. Балтимором (1970) РНК-зависимой ДНК-полимеразы (обратной транскриптазы); благодаря этому открытию стало возможным синтезировать ДНК-копии любых мРНК in vitro. Эти методы послужили основой, так называемых геномных проектов, направленных на установление полной нуклеотидной последовательности ДНК разных видов организмов, из которых наиболее известен международный проект «Геном человека», практически завершённый к началу 21 века. В результате этих работ на рубеже веков родилась новая наука - геномика. Сравнительная молекулярная биология гена и геномика имеют важное значение для развития эволюционной теории. В частности, Ф. Шарп и Р. Робертс ещё в 1977 году показали, что характерной чертой генов эукариот является сложная мозаичная структура - чередование экзонов и интронов. Последние не представлены в транслируемых молекулах мРНК, так как удаляются при «созревании» их предшественников в ходе сплайсинга (сходную структуру имеют гены архебактерий, но не эубактерий). Оказалось, что сплайсинг может быть альтернативным в разных тканях многоклеточного организма, благодаря чему один ген способен контролировать синтез нескольких вариантов полипептидных цепей.

Всё большее внимание генетика уделяет изучению подвижности отдельных элементов генома в эволюции и в ходе онтогенеза. Ещё в 1950-х годах Б. Мак-Клинток открыла мобильные генетические элементы у кукурузы. В дальнейшем мобильные элементы, или транспозоны, были выявлены у всех исследованных организмов. Им отводится значительная роль в изменчивости генов, в частности при их дупликации и последующей дивергенции в ходе эволюции. Гены оказались изменчивыми и в ходе индивидуального развития многоклеточных организмов. В конце 1970-х годов С. Тонегава обнаружил, что участки ДНК, кодирующие вариабельные и константные участки иммуноглобулинов мыши, расположенные в виде непрерывной последовательности у взрослого животного, пространственно разделены в их эмбрионах и половых клетках. Кроме того, вариабельность иммуноглобулинов оказалась связанной с направленным мутагенезом в определённых участках генов. Важное значение для понимания механизмов поддержания стабильности и изменчивости генетического материала имеют начатые во 2-й половине 20 века работы по репарации ДНК, обеспечивающие устранение повреждений, возникающих спонтанно или под действием внешних факторов (Р. Бойс и А. П. Говард-Фландерс, Э. Виткин, Р. Петтиджон и Ф. Ханауолт и др., США).

На рубеже 20-21 века интенсивно развивается изучение так называемых эпигенетических механизмов наследственности и изменчивости (не затрагивающих информации, заложенной в ДНК или РНК). В 1984 году М. Сурани (Великобритания) и др. описали геномный импринтинг у млекопитающих - уровень экспрессии некоторых генов в зависимости от того, от какого родителя они передаются в зиготу. Это явление оказалось связанным с характером модификации молекул ДНК, преимущественно с её метилированием ещё в организме родителей. Взаимодействие двух по-разному модифицированных геномов - непременное условие развития организма млекопитающих, включая человека. Именно поэтому последующее открытие ирландского исследователя И. Уилмута (1997) - возможность клонирования млекопитающих, преодоление геномного импринтинга - стало настоящей сенсацией. Уже в 21 веке нидерландский учёный Ф. Шлойтелс с сотрудниками показали, что в геномном импринтинге участвуют малые некодирующие молекулы РНК размером около 20 нуклеотидов, выполняющие по отношению к некоторым обычным генам регуляторные функции, а также обусловливающие модификации ДНК (метилирование) или гистонов (метилирование, ацетилирование).

Большой резонанс получила разработка проблемы прионов (преимущественно работы С. Прузинера во 2-й половине 20 века) - инфекционных агентов, переносящих такие заболевания, как «коровье бешенство» и ряд нейродегенеративных заболеваний зрелого возраста у человека. Прион, как и любые другие белки, не способен к репликации, но его предшественник - один из белков нервной системы, - изменяя свою пространственную структуру (без изменения первичной структуры), приобретает патогенные свойства и служит своеобразной конформационной матрицей для вновь синтезируемых гомологичных полипептидов. Р. Уикнер (1994) показал, что прионы могут быть цитоплазматическими наследственными детерминантами белковой природы у дрожжей Saccharomyces cerevisiae, в то время как прионы млекопитающих - ненаследуемое, модификационное изменение. Эти открытия расширили представления об эпигенетических факторах наследственности.

Клонирование генов, а затем и млекопитающих, поставило перед генетиками морально-этические проблемы, связанные с возможностью применения новых методов к исследованию человека и лечению его наследственных заболеваний. Клонирование человека запрещено в большинстве стран, а использование методов генетической инженерии и генотерапии сопряжено с необходимостью следовать целому ряду правил и ограничений. В конце 20 века достигнуты большие успехи в генетике и геногеографии народонаселения нашей страны, прежде всего школой российского генетика Ю. Г. Рычкова. Это направление исследует географическое распространение и частоты аллелей, контролирующих как нормальные, так и патологические признаки человека, анализирует генетические основы формирования этнических групп и народностей.

Значение генетики. Генетика  представляет собой теоретическую основу селекции. Опираясь на частную генетику различных объектов, селекционеры подбирают исходный материал для создания новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Так, открытое в 1930 году американским генетиком М. Родсом и советским генетиком М. И. Хаджиновым явление цитоплазматической мужской стерильности кукурузы стало основой семеноводства этой культуры на гибридной основе с использованием гетерозиса. Последний находит применение при получении межлинейных и сортолинейных гибридов сорго, сахарной свёклы и многих других культур. На основе полиплоидии растений - умножения числа хромосомных наборов - созданы хозяйственно-ценные формы сельскохозяйственных  растений, например тетраплоиды ржи (В. С. Фёдоров и др.), гречихи (В. В. Сахаров). Основываясь на менделевских закономерностях, селекционеры выводят новые породы пушных зверей с различными окрасками и оттенками меха (норка, лисица, ондатра и др.) и некоторых домашних животных. Селекция в ходе одомашнивания лисиц дала богатый экспериментальный материал для разработки теории дестабилизирующей функции отбора (Д. К. Беляев). Селекция по количественным признакам используется как для повышения урожайности растений, так и для увеличения мясной и молочной продуктивности сельскохозяйственных  животных. Методы генетики применяют в рыбоводстве, птицеводстве. Например, исследования по генетике популяций легли в основу рекомендаций по охране промысловых рыб и их искусственному разведению.

Мутационная селекция сыграла большую роль в развитии микробиологической промышленности (С. И. Алиханян и др.): при создании штаммов - продуцентов антибиотиков, витаминов, аминокислот и других биологически активных веществ, а также при создании «живых удобрений», например штаммов симбиотических бактерий, способных к азотфиксации. Генетическая инженерия успешно используется для выведения штаммов бактерий и дрожжей, синтезирующих гормоны роста животных, интерфероны человека, для получения растений и животных с новым сочетанием генов (смотри Трансгенные организмы). Перенос генов устойчивости к болезням животных в высшие растения позволяет создавать живые (съедобные) вакцины. Гибридизация соматических клеток растений даёт возможность объединять геномы видов, никогда не скрещивающихся в природе.

Методы генетики используются для диагностики наследственных заболеваний до рождения ребёнка или определения гетерозиготного носительства генных и хромосомных аномалий. Они позволяют выявлять гены предрасположенности к инфекционным и полигенным наследственным заболеваниям и тем самым прогнозировать вероятность развития болезни, планировать профилактические мероприятия. На основе генетической инженерии возникла новая область медицины - генотерапия, которая разрабатывает способы исправления или замены аномальных участков генома в соматических клетках больного. Сохранение оптимальных размеров и условий существования популяций растений, животных и микроорганизмов, их генофонда - это сохранение природного богатства генов, которые могут быть использованы человеком в селекционном процессе.

Ведущие генетические учреждения, международные организации, периодическая печать. Основные научно-исследовательские и учебные центры генетики в России: Институт общей генетики имени Н. И. Вавилова РАН, Институт цитологии и генетики СО РАН, Институт молекулярной генетики РАН, Институт биологии гена РАН, Институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов, Всероссийский институт растениеводства имени Н. И. Вавилова; кафедры генетики Московского, Санкт-Петербургского, Новосибирского, Саратовского, Ростовского и Томского государственных университетов. Исследования по генетике в зарубежных странах (за пределами бывшего СССР) сосредоточены в университетах и, как правило, интегрированы в общебиологические исследования, составляя их методологическую основу. Специализированные кафедры генетики в них крайне редки (в их числе, например, кафедры генетики в Калифорнийском университете в Беркли и Университете Вашингтона в Сиэтле). Российских генетиков и селекционеров объединяет Вавиловское общество генетиков и селекционеров при РАН, общества генетиков Европы - Европейская генетическая федерация (ЕГФ), генетические организации всего мира - Международная генетическая федерация (МГФ). Каждые 5 лет в различных странах проводится конгресс МГФ, на котором избираются президент и совет МГФ.

Статьи по генетике публикуют специализированные журналы «Генетика» (М., 1965; издаётся также на английском языке), «Информационный вестник Вавиловского общества генетиков и селекционеров» (Новосиб., 1997), «Экологическая генетика» (СПб., 2003), а также: «Цитология» (М.; Л., 1959), «Онтогенез» (М., 1970), «Журнал общей биологии» (М., 1940), «Успехи современной биологии» (М.; Л., 1932) и некоторые другие журналы биологического профиля. К основным международным периодическим изданиям относятся: «Genetics» (N. Y., 1916), «Journal of Genetics» (Camb., 1910), «Journal of Heredity» (Wash., 1910), «Annual Review of Genetics» (Palo Alto, 1967), «Genetic Research» (Camb., 1960) и многие другие.

Лит.: Лобашев М. Е. Генетика. 2-е изд. Л., 1967; Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М., 1967; он же. Двойная спираль. М., 1969; Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. 2-е изд. М., 1981; Льюин Б. Гены. М., 1987; Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика: В 3 т. М., 1987-1988; Гайсинович А. Е. Зарождение и развитие генетики. М., 1988; Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. М., 1989; Молекулярная биология клетки: В 3 т. 2-е изд. М., 1994; Горбунова В. Н., Баранов В. С. Введение в молекулярную диагностику и генотерапию наследственных заболеваний. СПб., 1997; Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика. 2-е изд. Новосиб., 2003; Проблемы и перспективы молекулярной генетики. М., 2003-2004. Т. 1-2; Бочков Н. П. Клиническая генетика. 3-е изд. М., 2004; Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия. 2-е изд. Новосиб., 2004.