В классической (домолекулярной) функциональной генетике, когда методы исследования закономерностей наследования признаков и генетических законов ограничивались фактически гибридологическим (растения и животные), генеалогическим и близнецовым (человек) методами, а представления о материальной природе генов носили гипотетический характер, в функционально-генетическом плане речь могла идти исключительно о структурных генах, отличительной характеристикой которых было наличие соответствующих им признаков.
В современной генетической номенклатуре к категории структурных генов относят две разновидности нуклеотидных последовательностей (сайтов) ДНК. С одной стороны, это последовательности, которые транскрибируются с образованием и(м)РНК и затем транслируются
с образованием простых белков (полипептидов, протеинов). С другой стороны, к категории структурных генов причисляют также последовательности, которые транскрибируются с образованием определенных видов РНК — рибосомных и транспортных, необходимых для организации в клетках процесса биосинтеза белков. Ни рРНК, ни тРНК не транслируются. Таким образом, среди структурных генов выделяют транскрибируемые и транслируемые, а также транскрибируемые, но не транслируемые. Оказалось, однако, что на долю таких последовательностей приходится не более 5\% общего количества ДНК генома (см. п. 2.4.3.4-д).
Достижения генетики последних десятилетий позволяют связать некоторую часть структурных генов (в частности, из числа транскрибируемых и транслируемых нуклеотидных последовательностей ДНК) с важнейшими событиями индивидуального развития и процессами жизнедеятельности, выделяя их в отдельные субсемейства. Так, выделяют структурные гены, напрямую связанные с обеспечением эмбриогенеза многоклеточных животных. К примеру, на ранних стадиях эмбрионального развития под генетическим контролем устанавливается своеобразная координатная сетка, позволяющая клеткам развивающегося организма определить себя в пространстве. Благодаря последовательно активируемым группам генов (материнские гены, gap и pair-rule гены, гены сегментарной полярности) у плодовых мух (дрозофилы) определяется головной и хвостовой концы, а тело зародыша подразделяется в переднезаднем направлении на фиксированное число сегментов, клетки которых дадут в дальнейшем конкретные структуры. Благодаря соответствующему генетическому контролю определяется также спинно-брюшное направление. В рассматриваемом отношении интересны гомеозисные гены, которые располагаются кластерами линейно друг за другом. Они контролируют развитие в требуемом направлении определенных клеточных популяций. При этом последовательность генов в кластере соответствует пространственному взаиморасположению возникающих в процессе развития структур организма — проксимодистальное и дорсовентральное направления.
Эмбриогенез в реальном пространственно-временном воплощении представляет собой единый процесс. Тем не менее выделение в этом процессе определенных стадий (дробление, бластула, гаструла, первичный органогенез или закладка осевых органов, вторичные или локальные органогенезы) оправдано хотя бы тем, что, как оказалось, они находятся под специальным генетическим контролем. Так, у мыши обнаружен
локус Т, представленный 117 аллелями. Аллель t проявляет свойство рецессивности относительно всех остальных аллелей. У гомозигот по некоторым аллелям локуса T эмбриональное развитие проходит нормально лишь до определенной стадии. По достижении этой стадии зародыш прекращает развитие и гибнет. Нежизнеспособны гомозиготы: t12t12 (не образуется трофобласт, гибель на стадии 16 бластомеров — мору-ла), tw73tw73 (в связи с функциональной несостоятельностью поверхности клеток хориона зародыш не имплантируется в стенку матки, гибель на стадии 64 бластомеров — бластоциста), t0t0 (не образуется амнион), tw5tw5 (возникнув, зародышевая эктодерма погибает), t9t9 (зародыш нежизнеспособен, так как нет мезодермы: не образуется первичная полоска — дефект эмбриональной индукции), tw1tw1 (дефект нейруляции — гибнут клетки вентральных отделов нервной трубки и закладки головного мозга). У гомозигот TT нервная трубка коротка и не достигает заднего конца тела зародыша, в связи с чем нарушается ход вторичных (локальных) органогенезов, и зародыш гибнет. Детальна также рецессивная гомозигота tt. Типичный фенотипический признак мышей с генотипом Tt — короткие хвосты.
У эукариот обнаружены структурные гены, которые можно выделить в субсемейство, члены которого решают задачи экологического характера или же обеспечивают соответствующий образ существования (например, паразитический). Выше говорилось (см. п. 4.3.3), что у человека на разных этапах онтогенеза синтезируются разные полипептиды α- и β-глобинов, благодаря чему образуются гемоглобины — эмбриональный, плодный и родившегося человека. Необходимость последовательной смены в онтогенезе названных вариантов гемоглобина диктуется изменениями условий снабжения тканей кислородом, т. е. экологическими обстоятельствами.
Паразитам высших животных, в том числе млекопитающих, отличающихся наличием эффективной иммунной системы, приходится решать специфическую задачу ухода от надзорной функции последней. Один из способов — особый генетический механизм. Так, в геноме внутриклеточного паразита человека, возбудителя африканского трипаносомоза (сонная болезнь) жгутикового простейшего трипаносомы (Trypanosoma brucei gambiense) имеется «кассета» генов, контролирующих образование белка клеточной оболочки паразита и имеющих некоторые отличия в нуклеотидных последовательностях. Уход трипаносом от противостояния иммунной системы организма-хозяина связан с регулярной сменой активного гена «кассеты». Результат заключается в
появлении в клеточной оболочке «нового» варианта белка-антигена, что заставляет иммунную систему выстраивать свои отношения с паразитом после каждой такой смены заново. Некоторые внутриклеточные паразиты человека (возбудитель трехдневной малярии Plasmodium vivax, возбудитель американского или городского трипаносомоза, известного так же, как болезнь Чагаса, Trypanosoma cruzi — см. п. 2.4.2) используют в качестве «ворот» для проникновения в клетки хозяина белки плазмолеммы, образуя под генетическим контролем соответствующие молекулы-лиганды.
В качестве самостоятельного субсемейства следует, по-видимому, выделить гены «социального» контроля. Речь здесь может идти о протоонкогенах (см. п. 3.1.4), которые обусловливают образование ферментов протеинкиназ, факторов роста и клеточных рецепторов к этим факторам, участвующих в регуляции клеточной пролиферации. Ряд синтезируемых под контролем названных генов веществ принимает участие в запуске и реализации генетически запрограммированной клеточной гибели — апоптоза (см. п. 3.1.2). Напомним, что механизм апоп-тоза сложился в эволюции в немалой степени в связи с необходимостью контроля клеточного состава многоклеточного организма и направлен в том числе против клеток, вышедших из-под влияния общеорганиз-менных регуляторных систем, например, вставших на путь онкотранс-формации (см. п. 2.2 — концепция «клеточного государства» Р. Вирхова;
см. п. 3.1.4).
Существует достаточно многичисленное субсемейство нуклеотидных последовательностей ДНК, которые принимают участие в регуляции генетической активности структурных (в частности, транскрибируемых и транслируемых) генов. В этом плане предположительно речь может идти о некоторых З’-транскрибируемых, но не транслируемых последовательностях ДНК транскриптона (см. п. 2.4.5.5), например, тех, с которыми связано образование в молекулах и(м)РНК поли(А) «хвоста». Действительно, дезаденилирование названных и(м)РНК используется, видимо, как механизм регуляции времени полураспада, т. е. продолжительности существования информационных РНК в цитоплазме. Регуляторная функция через образование контролируемых ими белков характеризует сайты ДНК, обусловливающие образование транскрипционных факторов (см. п. 2.4.5.5).
Определенные нуклеотидные последовательности ДНК используются для контроля важных общеклеточных функций. Так, теломер-ной ДНК приписывают роль, с одной стороны, таймера (биологические
часы), указывающего предел числа отпущенных клеткам многоклеточного организма делений — эффект Хейфлика, а с другой — эта ДНК предположительно обеспечивает путем взаимодействия с ядерной ламиной и внутриядерным матриксом упорядоченное расположение хромосом в объеме интерфазного ядра (см. п. 2.4.3.4-г).
Среди функций нуклеотидных последовательностей ДНК называют также сервисную и конценсусную.
В качестве примера сайтов с сервисной функцией укажем 5′-транскрибируемые, но не транслируемые последовательности области промотора транскриптона (см. п. 2.4.5.5), которые создают условия для инициации процесса транскрипции биологической информации с ДНК. Эта же функция выполняется, по-видимому, сайтами ДНК, контролирующими образование белков пререпликативного и репликативного комплексов, обеспечивающих самоудвоение биспирали ДНК (см. п. 2.4.5.3). Без определенных белков, образуемых клетками под контролем соответствующих нуклеотидных последовательностей ДНК (генов), выполняющих, видимо, также сервисную функцию, невозможен транспорт пре-и(м)РНК из ядра в цитоплазму в форме ядерных информосом (см.
п. 2.4.5.5).
Конценсусная функция приписывается нуклеотидным последовательностям на стыке интронов и экзонов, а также транскрибируемым, но не транслируемым сайтам, контролирующим образование малых ядерных и ядрышковых РНК — участниц процессинга пре-РНК транскриптов в качестве обязательного компонента сплайсосом (см.
п. 2.4.5.5).
Транскрибируемым, но не транслируемым нуклеотидным последовательностям ДНК 5′ и 3′ концов транскриптона, с которыми связано наличие в и(м)РНК соответственно колпачка (кэпа) и уже упоминавшегося поли(А) «хвоста», приписывают защитную функцию — предохранение и(м)РНК от разрушительного действия ферментов нуклеаз.
На настоящий момент для большей части нуклеотидных последовательностей ядерной ДНК функция однозначно не определена и здесь в обозримом будущем следует ожидать важных открытий (область интересов функциональной геномики).