Нет сомнения в том, что наследственные особенности штамма или линии в основном определяются хромосомами.
Это заключение основано на наблюдениях генетиков и цитологов, показавших, что те или иные специфические мутации можно непосредственно связать с морфологическими изменениями в определенных участках хромосом. Эти данные служат отправным пунктом для одной из наиболее увлекательных проблем современной биологии, а именно для идентификации и химического описания генетического материала. Эта область биологии развивается очень быстро, и в настоящее время мы можем с некоторой степенью уверенности утверждать, что веществом, наиболее непосредственно связанным с хранением и воспроизведением наследственной информации, служит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) хромосомных нитей.
Помимо обстоятельных цитохимических данных о локализации ДНК в хромосомах, имеется также ряд других сведений, которые дают более точную информацию по этому поводу. Было, например, показано, что содержание ДНК в соматических (диплоидных) клетках разных тканей у определенного вида постоянно, однако в сперматозоидах (которые гаплоидны) содержание ДНК вдвое меньше.
Мирский и его сотрудники подтвердили эти наблюдения для ряда видов. Эта группа исследователей показала также, что в распределении и количествах различных других химических компонентов ядер обычно не наблюдается той строгой корреляции, какой следовало бы ожидать для веществ, обладающих генетической функцией. Мы знаем, что ядро содержит, помимо ДНК, рибонуклеопротеиды, различные богатые аргинином протамины и гистоны, белковую фракцию, богатую триптофаном, и небольшое количество липидов. По-видимому, ни одно из этих веществ (за исключением протамино-гистоновой фракции, которая может быть непосредственно связана с ДНК) не характеризуется таким постоянством содержания в клетках разных типов у одного и того же вида, какое установлено для ДНК.
Другая группа экспериментальных данных, свидетельствующих о генетической роли ДНК, связана с действием мутагенных факторов — ультрафиолетовых лучей и некоторых химических веществ. Было показано, что спектр действия ультрафиолетовых лучей для мутационного процесса совпадает с ультрафиолетовым спектром поглощения нуклеиновых кислот. Эти опыты сами по себе не вполне убедительны, поскольку возможно, что поглощение фотонов ультрафиолетового излучения молекулой нуклеиновой кислоты представляет собой лишь первую ступень в цепи реакций, в которой окончательной мишенью служат молекулы совсем иной химической природы. Опыты с мутагенным действием таких химических соединений, как иприт, также недостаточно убедительны, так как, хотя нуклеиновые кислоты, по-видимому, гораздо более чувствительны к нему in vitro, чем белки, однако мы не можем исключить возможности того, что какой-либо особенно важный член последней группы соединений обладает специфической чувствительностью. Несмотря на эти возможные возражения, имеется целый ряд прямых доказательств повышения частоты мутаций при изменении химической структуры ДНК под действием излучения или химических веществ. Заменгоф и его сотрудники показали, что при включении в ДНК клетки аналога тимина — 5-бромурацила — частота мутаций сильно возрастает; такое возрастание может быть связано либо с присутствием в полинуклеотидной цепи молекулы ДНК этого аномального пиримидинового основания, либо с какими-то нарушениями кинетики биосинтеза ДНК. Независимо от его причины мы можем сделать заключение, что молекула ДНК участвует в химическом мутагенезе.
Метаболическая стабильность ДНК также свидетельствует о тесной связи между ДНК и генами. Вопреки ряду полученных ранее данных (оказавшихся ошибочными), совокупность имеющихся в настоящее время материалов ясно показывает, что содержание ДНК в хромосомах на протяжении митоза не меняется, и равновесие между ее компонентами и внеядерными источниками предшественников ДНК не достигается.
Особенно четкие данные в пользу этого заключения получены при цитохимических и радиохимических исследованиях ядер и хромосом растущих тканей, в частности тканей растений. Говард и Пелк, например, изучали этот вопрос на растущих корешках конских бобов (Vicia faba) в присутствии радиоактивного ортофосфата. Затем были получены радиоавтографы давленых препаратов с использованием пленок со съемным слоем. Анализ включения радиоактивного фосфора в ядра на разных стадиях митоза и в период покоя показал, что изотоп включается лишь в покоящееся ядро на стадии интерфазы и что во время профазы и метафазы активный синтез нуклеиновых кислот не происходит. Радиоавтографы кончиков корешков, инкубированных с изотопом в течение более длительного времени, привели к заключению, что меченая нуклеиновая кислота хромосом переходит к дочерним ядрам без предварительного распада и ресинтеза. Эти эксперименты, а также вытекающие из них заключения были значительно уточнены в результате усовершенствования методов радиоавтографии хромосом, а также, применения в исследованиях очищенной меченной изотопами ДНК. Мы вернемся к этим новейшим исследованиям после рассмотрения химии ДНК и более подробного анализа строения хромосом. Однако эксперименты Говард и Пелка, даже на их теперешнем уровне, совершенно удовлетворительны с точки зрения генетики, так как их результаты свидетельствуют о сохранении ДНК и о физической преемственности генов при делении клетки.
Наиболее убедительные данные о важнейшей генетической роли ДНК получены при изучении трансформации бактерий. Это явление, открытое в 1928 г. Ф. Гриффитом на пневмококках, было затем обнаружено у ряда других микроорганизмов. Оно связано с изменением генотипа клеток одного штамма под влиянием экстрактов из клеток другого штамма.
Существует две формы пневмококков. Одна образует на агаре «гладкие» колонии, имеет специфичные капсульные полисахариды в капсуле и вирулентна. Другая образует «шероховатые колонии, невирулентна и не содержит полисахаридов, характеризующих «гладкую» форму. «Гладкие» формы генетически стабильны: например, штамм, характеризующийся полисахаридом типа II, не мутирует спонтанно к типу, для которого характерен полисахарид типа III. Однако, «гладкие» формы мутируют в «шероховатые», и это изменение, по-видимому, необратимо. Гриффит показал, что если в организм мыши ввести живые бескапсульные «шероховатые» формы и убитые «гладкие», то из нее удается выделить живые бактерии, имеющие капсулу. Потомство этих трансформированных бактерий также имеет капсулу; было показано, что специфичный полисахарид сохраняется в течение ряда поколений, пока не произойдет мутация к «шероховатой» форме.
Эвери и его сотрудники, а позже Хочкис, Заменгоф и другие показали, что вещество, которое содержится в экстрактах «гладких» форм и ответственно за трансформацию, обладает химическими признаками ДНК. Имеющиеся в настоящее время данные в пользу этого утверждения весьма убедительны, и трансформацию микроорганизма не только по генам, контролирующим развитие капсулы, но и по другим генетическим маркерам можно с большой долей вероятности приписать влиянию молекулы ДНК. Совершенно ясно, что трансформация не вызывается ничтожным количеством белка, остающегося в экстракте.
Многие признаки, изменяющиеся под влиянием ДНК, были выявлены у бактерий при помощи методики провокационного фона. Например, при выращивании пневмококков в присутствии стрептомицина почти все клетки гибнут. Однако небольшая часть клеток выживает, размножается и дает культуру, устойчивую к примененным концентрациям стрептомицина. Эти организмы приобрели путем случайной мутации физиологические признаки, позволяющие им занять в природе новую «экологическую нишу» (правда, довольно необычную). Клетки, устойчивые к стрептомицину, не только сами приобрели новый и константный фенотип, но и способны с помощью своей ДНК трансформировать другие клетки, сообщая им устойчивость к стрептомицину.
Генетическая стабильность трансформированных свойств заставляет полагать, что трансформация связана с истинным переносом генов. Однако трудно доказать, что при этом процессе от клетки к клетке передается действительно материал хромосом. Химия и цитология бактериального ядра еще до сих пор не выяснены, а кроме того, положение усложняется еще тем, что точный генетический анализ, возможный в случае гороха или дрозофилы, у бактерий провести трудно, поскольку они обычно размножаются путем простого деления, а не половым путем. Однако половой процесс у некоторых микроорганизмов происходит довольно часто, и нам кажется, что перенос трансформированных признаков единицами наследственности можно было бы показать при помощи обычных методов гибридизации, выбрав, подходящую бактерию и соответствующие признаки. Но, насколько мне известно, такое генетическое исследование какого-либо признака, который может быть трансформирован чистыми препаратами ДНК, до сих пор не проведено.
Помимо генетической стабильности, трансформация связана также с некоторыми другими особенностями, подтверждающими, что передача отдельных признаков через ДНК очень сходна с обычными генетическими процессами, происходящими при делении клеток. Например, было показано, что ДНК, полученная из бактериальных клеток, трансформированных по двум генетическим маркерам, иногда способна вызывать одновременную трансформацию обоих этих признаков, как если бы они были сцеплены в одном и том же фрагменте «хромосомы». Так, Мармор и Хочкис отобрали из одного штамма пневмококков, устойчивых к стрептомицину, мутанты, приобретшие способность сбраживать маннит. После добавления препаратов ДНК из таких клеток, несущих по два маркера, к культуре пневмококков «дикого» типа из нее удалось выделить трансформированных бактерий трех различных типов. Большая их часть была трансформирована лишь по одному признаку: они приобрели либо устойчивость к стрептомицину, либо способность сбраживать маннит. Однако у отдельных клеток была четко выражена трансформация по обоим признакам. Частота двойных трансформаций была столь высока, что ее нельзя было объяснить случайной комбинацией двух отдельных трансформаций, и этот факт можно генетически объяснить лишь совместным переносом двух сцепленных единиц наследственности. Это наблюдение, напоминающее явление сцепления в хромосомах высших организмов, говорит о том, что один фрагмент ДНК может содержать информацию, обусловливающую развитие двух различных физиологических систем, и что этот фрагмент представляет собой участок нормального генетического материала бактериальной клетки, из которой он был выделен.
Хочкис и его сотрудники провели впоследствии исследования клеток, содержащих по три трансформируемых маркера. Они показали, что при трансформации при помощи ДНК эти маркеры могут остаться сцепленными, разъединиться или вновь объединиться в результате рекомбинации, аналогично тому, что наблюдается для клеток, несущих по два маркера. Несмотря на то, что детали процесса нам неизвестны, мы можем довольно твердо постулировать, что механический перенос генетической информации от клетки к клетке посредством очищенной ДНК представляет собой хорошую модель для некоторых процессов, происходящих при обычной передаче генов во время клеточного деления.