Августинского монаха Грегора Менделя называют основоположником генетики, хотя сам термин «ген» появился сильно после его смерти.
Мендель пытался понять законы наследственности, скрещивая растения гороха с разными признаками, которые с той или иной частотой проявлялись в потомстве. Мендель пришёл к выводу, что из поколения в поколение у гороха переходят некие факторы наследственности, которые и обуславливают появление тех или иных признаков, и их распределение и проявление в потомстве подчиняется определённым закономерностям. Факторы, влияющие на один и тот же признак – например, цвет семян – могут быть доминантными и рецессивными, в зависимости от их взаимоотношений друг с другом.
Мендель ставил опыты с горохом в середине XIX в., общее число скрещиваемых растений в его экспериментах составляет порядка 28 тысяч. Лишь в XX в. когда генетика получила второе рождение, факторы наследственности получили название гена, а ещё позже, к середине XX в., стало ясно, что материальный носитель генов – это нуклеиновые кислоты (хотя ДНК как отдельное вещество клетки описали опять же ещё в XIX в.). Опыты Менделя упоминаются во всех учебниках, но в памяти после них остаются разве что форма и цвет горошин, которые получались то гладкими, то морщинистыми, то зелёными, то желтоватыми.
На самом же деле Мендель следил за семью признаками. Кроме формы и цвета горошин, это были форма и цвет стручков (суженные или широкие, зелёные или желтоватые), окраска цветков (белые или фиолетовые), размер всего растения (высокое или низкое) и так называемая фасциация, когда листья, цветки или ещё какие-то части растения аномально разрастаются, срастаются и деформируются. Со временем исследователям захотелось выяснить, какие именно гены – в молекулярном смысле – отвечают за те самые менделевские признаки у гороха.
Геном гороха полностью прочитали к 2019 г. Как обычно бывает в таких случаях, это было то, что называется референсным геномом – он собран из генетических последовательностей разных особей и соответствует некоему абстрактному организму. Но теперь у конкретных индивидуумов можно было читать небольшие участки генома и сравнивать их с референсным геномом: с его помощью, во-первых, можно выбрать место, где читать индивидуальный геном, и во-вторых, увидеть отличия этого индивидуального генома от референсной идеализации.
До сегодняшнего дня оставалось три менделевских признака, для которых были неизвестны влияющие на них участки ДНК. И вот сейчас в Nature появилась статья, в которой эти три признака получают свою ДНК. В статье говорится, во-первых, о гене, способном подавлять синтез хлорофилла в стручках – в зависимости от того, какой вариант его достанется растению, стручки будут зелёными или жёлтыми. Ещё два гена влияют на форму стручков, увеличивая или уменьшая толщину клеточной стенки в их клетках. Наконец, от последнего описанного гена зависит, будет ли у гороха аномальный рост побегов, то есть будет ли у него фасциация.
Чтобы эти гены найти, сотрудники Центра Джона Иннеса вместе с коллегами из шэньчжэньского Института сельскохозяйственной геномики сравнили с референсным геномом последовательности ДНК примерно из семисот вариантов гороха. При сравнении нашлось около 155 млн однонуклеотидных полиморфизмов, или, говоря иначе, отличий по одной генетической букве. Но одних только буквенных отличий тут было мало, исследователи также скрещивали разные варианты гороха, чтобы убедиться, что те или иные отличия в тех или иных участках генома имеют отношение к менделевским признакам, то есть наследуются в соответствии с законами Менделя. Заодно исследователи описали ряд генов, влияющих на другие признаки, вроде размера горошин, облиственность растения и т. д. Кстати, под молекулярными генами тут понимаются не только участки ДНК, которые кодируют белок, но и те последовательности, которые влияют на активность белок-кодирующих кусков.
Новые данные наверняка окажутся полезными в смысле селекции новых сортов гороха, но, может быть, здесь более важно то, что на примере менделевских признаков хорошо видно, как работает наука. Мы привыкли на словах «ген» и «наследственность» представлять себе ДНК и красивые картинки с молекулярной машинерией. Однако Мендель сумел увидеть законы наследственности без привязки к материальному носителю этой наследственности. Его исследования показали, что есть отдельные дискретные единицы наследственности, от которых зависят некие признаки, проявляющиеся в той или иной мере в поколениях. Потом эти единицы наследственности получили название генов, обрели плоть (в смысле, их прописали в нуклеиновых кислотах), они оказались способны к мутациям, а понятие признака неизмеримо усложнилось – но это именно что потом. Пример с Менделем и «менделевскими генами», поиск которых закончился только сейчас, ясно показывает, что в науке в первую очередь нужно чётко определить объект исследования и те методы, которыми ты его можешь изучать. А вот вопрос, какой он природы, этот объект, какая у него внутренняя сущность – это не так важно, как может показаться на первый взгляд.
Автор: Кирилл Стасевич