Генетика с основами селекции

Размещено на http://www.allbest.ru

Множественный аллелизм и взаимодействия аллелей

Основной заслугой Менделя стало открытие дискретных наследственных факторов - впоследствии названных генами. Также он выяснил, что альтернативные формы различных факторов (аллели) могут переходить от родителей к потомкам независимо друг от друга (закон независимого распределения). Однако, как это часто бывает в науке, первооткрывателю некоторого фундаментального явления везет с выбором условий и стечением обстоятельств. Мендель работал практически с идеальной моделью. У него в опытах было только полное доминирование, исследовалось только два аллеля у каждого гена, и гены не были сцеплены (об этом в следующем уроке). В дальнейших работах с использованием гибридологического метода и различных объектов (не только гороха) было выявлено множество закономерностей, столкнувшись с которыми, Мендель мог и не получить таких красивых и четких результатов.

Мы рассмотрели два типа взаимодействия аллелей: полное и неполное доминирование. С современных позиций явление доминирования можно объяснить довольно просто: один из аллелей синтезирует нормальный белок или фермент, а другой - дефектный. Вполне естественно, что в этом случае функциональный продукт будет доминировать над нефункциональным. В случае же рецессивной гомозиготы функция отсутствует в принципе, и признак не проявляется вовсе. В качестве примера можно привести окраску глаз у дрозофилы. Предположим, есть некий ген (например, ген white), продукт которого (фермент) участвует в синтезе красного пигмента глаз. Если в генотипе есть хотя бы один работающий аллель этого гена, то признак проявляется (глаза красные), а если организм гомозиготен по рецессивному аллелю, то рабочему ферменту неоткуда взяться и признак не проявляется.

аллелизм ген генетика полимерия наследственность



Мутации окраски и формы глаз у дрозофилы Разнообразие окраски цветка Ночной красавицы

1-дикий тип, красные глаза;

Мутантные формы:

2-розовые глаза;

3-белые глаза;

4-плосковидные.

Похожим образом можно интерпретировать ситуацию с неполным доминированием. Дело в том, что часто бывает так, что одной копии работающего гена оказывается недостаточно для полного проявления признака. В этом случае у гетерозиготных организмов признак проявляется частично, с неполной интенсивностью. В частности, у ночной красавицы с розовыми цветками (гетерозиготный организм) продукта гена не хватает на то, чтобы синтезировалось количество фермента, достаточное для того, чтобы окраска цветка была полностью красной. Поэтому в итоге цвет получается розовым.

Помимо этого известны случаи отсутствия доминантно-рецессивных отношений между аллелями. Наиболее ярким примером кодоминирования является механизм наследования групп крови у человека.

Группы крови человека детерминируются геном I. Известны три типа аллелей этого гена: I^A, I^B и i^о. При гомозиготности I^AI^A эритроциты имеют только поверхностный антиген А (фенотип группы крови А, или II). При гомозиготности I^BI^B эритроциты несут только поверхностный антиген В (группа крови В, или III). В случае гомозиготности i^оi^о эритроциты лишены А и В антигенов (группа 0, или I). В случае гетерозиготности I^Ai^о или I^Bi^о группа крови определяется, А (II), или В (III). Эритроциты, соответственно, имеют антигены только А или только В. Это уже известный случай полного доминирования. Если же человек гетерозиготен I^AI^B, его эритроциты несут оба антигена: А и В (группа крови АВ, или IV). Это и есть случай кодоминирования. В этой ситуации аллели I^A и I^B работают как бы независимо друг от друга - они оба синтезируют нормальные продукты, которыми в данном случае являются мембранные белки-рецепторы.

На примере групп крови можно рассмотреть явление множественного аллелизма. Оно распространено в природе. Заключается это явление в том, что число аллелей одного гена может быть гораздо больше двух. Сейчас это вполне понятно, поскольку хорошо известно, что возникновение различных аллелей - это ни что иное, как возникновение мутаций в гене. А мутаций в ограниченную последовательность ДНК можно ввести великое множество. Причем каждая неповторяющаяся мутация (замена основания, делеция, инсерция и пр.) фактически будет давать новый аллель данного гена. Просто не всякий такой аллель будет иметь отличное от нормы фенотипическое проявление.

И раньше, на заре генетических исследований, считалось, что возникновение различных аллелей связано с прохождением мутаций (явление мутагенеза открыл в начале прошлого столетия Гуго де Фриз), однако тогда бытовало мнение, что мутация, а, как следствие - возникновение дефектного, не работающего аллеля, суть прямое удаление гена из генотипа. Его полное физическое отсутствие (эта идея принадлежала У. Бетсону). С открытием явления множественного аллелизма эта гипотеза была оспорена, поскольку одному присутствию не может соответствовать несколько отсутствий.

В настоящее время известны обширные серии множественных аллелей, определяющих типы совместимости у растений и грибов, группы крови, окраску шерсти, покровов, глаз у животных, форму рисунков на листьях и великое множество других признаков.

Во многих случаях бывает так, что комбинации различных аллелей проявляются не так как их гомозиготные сочетания. Разные аллели одного гена могут вступать друг с другом в отношения полного или неполного доминирования, кодоминирования. От этого фенотипы могут быть очень разными. Иногда даже бывает так, что при сочетании двух рецессивных аллелей, возникших в результате мутации нормального аллеля (нормально функционирующий аллель определенного гена часто называют аллелем дикого типа), восстанавливается утраченный фенотип. Такое явление носит название межаллельной комплементации.

Нормальный ген и два участка несущих мутантный аллель.

Одним из возможных его механизмов является то, что у разных мутантных аллелей могут быть нарушены разные участки последовательности гена.

Это приводит к тому, что при их сочетании в гетерозиготе происходит взаимная компенсация нефункциональных участков. Правда, такое может происходить далеко не всегда. Для этого в большинстве случаев требуется, чтобы конечный белок состоял из нескольких одинаковых субъединиц. Тогда с одной копии гена будет синтезироваться одна часть нормального белка, а с другой - другая, что в итоге даст целый функциональный продукт.

Взаимодействие генов. Комплементарность

На формирование одного признака могут оказывать влияние сразу два и более генов. При этом одни гены могут подавлять, усиливать или дополнять действие других. Если раньше считалось, что в норме одному признаку должен соответствовать один ген, то сейчас совершенно понятно, что это скорее отклонение от нормы, а любой генотип представляет собой сложную систему взаимодействий аллелей различных генов между собой.

У кур существуют самые разные формы гребня на голове: простой, ореховидный, гороховидный, розовидный и другие. Наличие той или иной формы гребня зависит от присутствия в генотипе определенных аллелей сразу двух генов в различных сочетаниях.

Например, если скрестить кур с гороховидным (генотип ааВВ) и розовидным гребнем (генотип ААbb), то в первом поколении потомство будет единообразным: у всех гибридов будет ореховидный гребень (генотип АаВb).

Если же потом провести скрещивания среди гибридов F1, то в потомстве будет четыре фенотипических класса в расщеплении:

· 9/16 потомков будут иметь ореховидный гребень (А_В_),

· 3/16 - гороховидный (ааВ_),

· 3/16 - розовидный (А_bb),

и, наконец, лишь у 1/16 всех потомков будет листовидный (простой) гребень (ааbb).

Таким образом, ореховидный гребень образуется лишь в том случае, если в генотипе присутствует хотя бы по одному доминантному аллелю каждого из участвующих генов (в записи генотипа нижнее подчеркивание или прочерк означает, что на этом месте может находиться как доминантный, так и рецессивный аллель).

Схема комплементарного взаимодействия генов (нормальное состояние).

Один из пары генов не работает, поэтому фенотип не проявляется полностью.

Задача. Комплементарность генов

Слух у человека зависит от согласованной деятельности нескольких пар генов. Нормальный слух развивается только в том случае, если каждый из этих генов имеет хотя бы один доминантный аллель. Если хотя бы одна пара генов представлена рецессивной гомозиготой, человек будет глухим. Предположим, что нормальный слух формируют гены А и В. Могут ли у глухих родителей появиться дети с нормальным слухом? Каковы генотипы родителей и детей?

С позиций современной генетики можно объяснить явление комплементарности генов следующим образом: предположим, для полного проявления некоего признака необходим определенный биохимический продукт (это может быть белок, пигмент, или какая-то другая биомолекула). Для простоты назовем этот продукт P. Допустим, он состоит из двух компонентов: R₁ и R₂. Каждый из этих компонентов синтезируется в результате определенной ферментативной биохимической реакции из некоего предшественника. Ферменты для каждой реакции нужны разные: один фермент синтезируется на матрице гена А, а другой - гена В. Предположим, что у каждого из генов есть два аллеля: доминантный и рецессивный, при этом рецессивный аллель не может продуцировать нормальный фермент. В этой ситуации, если какого-то из доминантных аллелей в генотипе нет, то продукт P синтезироваться не сможет, и признак проявится ровно настолько, насколько это позволит наличие соединений R₁ или R₂.

Взаимодействие генов. Эпистаз

Бывает так, что для синтеза конечного продукта, определяющего проявление признака, необходимо протекание не параллельных, а последовательных биохимических реакций. В этом случае отсутствие какого-либо компонента на ранних этапах синтеза прерывает биохимический путь целиком. Это один из случаев явления эпистаза, при котором один из взаимодействующих генов выступает в роли супрессора или ингибитора.



Схема генетического контроля биохимического пути превращения, при котором возникает эпистаз.

Схема рецессивного эпистаза.

На иллюстрации рассмотрен случай рецессивного эпистаза. В такой ситуации, если генотип по гену-ингибитору гомозиготный и рецессивный, то о проявлении или непроявлении другого гена из пары говорить просто не имеет смысла, поскольку нет никакого субстрата для его действия. Такое взаимодействие генов можно проиллюстрировать следующим скрещиванием. У льна (Linum usitatissimum), например, доминантный аллель гена А определяет наличие окраски венчика, а рецессивный (а) - отсутствие этой окраски. Ген В определяет голубую (В_) или розовую (bb) окраску венчика. При скрещивании растений с голубыми цветками, дигетерозигот (АаВb) по этим генам, между собой, получится расщепление: 9/16 растений будут с голубыми цветками (А_В_), 3/16 - с розовыми (А_bb) и 4/16 всех растений будут с белыми цветками, поскольку при генотипах ааВ_ и ааbb никакая окраска не проявится.



Полимерия

Полимерия - это еще один вариант взаимодействия между неаллельными генами. Этот тип взаимодействия возникает, когда гены действуют одинаково. То есть, дублируют функции друг друга (назовем эти гены А₁ и А₂). Например, если скрестить растения пастушьей сумки с треугольными стручками и с овальными, то в F1 все потомство будет иметь треугольные плоды, а после самоопыления гибридов будет наблюдаться расщепление 15:1. Это значит, что достаточно хотя бы одного доминантного аллеля любого из генов для того, чтобы признак проявился. Таким образом, с овальными плодами остается только генотипический класс а₁а₁а₂а₂.

Количественные признаки. Работы Гальтона

Количественные методы для изучения наследственности использовал не только Мендель. В конце XIX века двоюродный брат Дарвина Фрэнсис Гальтон пытался выяснить, какой вклад в признаки потомства вносит каждый из родителей. Для этого он выбрал признак, который легко измерить - рост. Были собраны данные о росте 408 лондонцах и 928 их взрослых детях, а затем была предпринята попытка выяснить существует ли какая-то связь между этими величинами. Гальтон обнаружил, что при браке высокого человека с человеком среднего роста их дети имели рост выше среднего, но ниже, чем у высокого родителя. Точно также при браке низкорослого родителя с человеком среднего роста их дети имели рост ниже роста, но выше, чем у низкорослого родителя. Гальтон пришел к выводу, что рост детей - примерно усредненный рост родителей. По мнению Гальтона, наследственный материал ведет себя как смешивающиеся жидкости. Почему результаты, полученные Гальтоном, так отличаются от результатов Менделя? Как это объяснить?

Очевидно, что Гальтон работал с другими признаками и другими объектами. Он изучал рост разных людей, про генотипы которых ничего не было известно, а Мендель имел дело с определенными сортами самоопылителя. Кроме того, Мендель изучал контрастирующие признаки, имеющие всего два уровня выраженности, а Гальтон с самого начала выбрал признак, который имеет множество значений. Правда, само по себе это не объясняет причину другого способа наследования.

Попробуем разобрать пример наследования цвета кожи у человека. Цвет кожи определяется четырьмя (или даже пятью) генами, ответственными за синтез пигмента меланина. Эти гены локализованы в разных хромосомах. Чем больше активных генов, запускающих синтез меланина, тем темнее цвет кожи.

У людей с самой темной кожей имеется восемь аллелей этих генов (обозначим их А). у человека с самой светлой кожей - неактивные аллели (а). От брака таких людей дети получат по четыре активных аллеля от одного родителя и цвет их кожи будет промежуточным между цветом кожи родителей. Генотип этих людей будет А₁а₁А₂а₂А₃а₃А₄а₄. А если вступят в брак люди, имеющие такие генотипы? С помощью теории вероятности можно вычислить, что чаще всего (с вероятностью 3/8) будут возникать гаметы, имеющие два доминантных и два рецессивных аллеля, с вероятностью 1/4 будут возникать гаметы с одним доминантным или одним рецессивным аллелем, наконец, с наименьшей вероятностью (1/16) будут возникать гаметы, содержащие все доминантные или все рецессивные аллели. Дальше легко посчитать вероятность возникновения разных зигот. На самом деле у людей с генотипом А₁а₁А₂а₂А₃а₃А₄а₄ чаще всего рождаются дети с тем же цветом кожи, что у родителей.

Мендель описал такой же случай для окраски цветков фасоли, шведский генетик Нильсон-Эле - для окраски чешуек овса и зерен пшеницы. Пеннет показал, что таков же механизм, определяющий вес кур и кроликов.

Важный вывод

Результаты, полученные Гальтоном, объясняются тем, что количественные признаки определяются не одной парой аллелей, а многими такими парами, действие которых суммируется.

В 1918 году английский ученый Р. Фишер ввел основные понятия генетики количественных признаков и развил методы их математического анализа. Многие хозяйственно важные признаки являются количественными: удойность коров, жирность молока, размеры куриных яиц или урожайность пшеницы.

Характеристики количественных признаков

Гальтон основал науку биометрию, которая занимается применением методов математической статистики к биологическим явлениям. Одна из задач этой дисциплины - математическое описание количественных признаков.

Рассмотрим пример. Нам известны значения роста десяти учеников в классе: 140 143 150 151 155 158 160 162 164 167. Как можно охарактеризовать рост учеников?

Найти среднеарифметическое значение. В нашем случае это будет 155.

Но в группе есть ученики, рост которых существенно отличается от средней величины. Как характеризовать величину отклонения от средней? Для этого вычисляют дисперсию и среднеквадратичное отклонение.

Чтобы вычислить дисперсию, посчитаем, на сколько каждое значение отличается от средней величины, Полученные величины возведем в квадрат (отклонения от средней будут как положительные, так и отрицательные), суммируем квадраты и полученную величину разделим на число слагаемых. в нашем случае получится 74,8. Это и есть величина дисперсии. Если взять корень квадратный из этой величины, мы получим среднее квадратичное отклонение, равное в нашем случае 8,65 (см).

В 1718 году французский математик Муавр опубликовал работу «Учение о случаях». Муавр измерил рост 1375 женщин. Он колебался от 140 до 180 см. Результаты были разбиты на 16 групп, каждая группа отличалась от следующей на 2,5 см. Затем Муавр посчитал, сколько человек входило в каждую группу и построил своеобразный график, где по оси абсцисс был отложен рост, а по оси ординат - число людей, имеющих такой рост.

В заключении, еще раз отметим, что на функцию одного гена влияет очень много факторов. Это обусловливается прежде всего тем, что пути проявления фенотипических признаков очень сложны. Они включают в себя множество биохимических превращений и ферментативных реакций, которые очень сложны и включают огромное количество разных стадий. Они могут дублировать, пересекать и конкурировать друг с другом. Продукт какой-то одной реакции может потом участвовать в десятке других реакций, и от его нормального синтеза будет зависеть проявление многих признаков (тогда говорят о плейотропном, или множественном действии гена). Ко всему прочему, стоит помнить, что каждая реакция проводится каким-то одним ферментом (см. урок «Строение и функции белков»), который, в свою очередь, кодируется определенным геном (см. урок «Синтез белка»). Стоит помнить, что выражение «взаимодействие генов» несколько условно, поскольку в действительности взаимодействуют не гены, а их продукты.

Хромосомы и гены

Мендель очень грамотно и честно ставил свои эксперименты. И его гибридологический метод дал поистине великолепные результаты. Но, несмотря на все изящество и всю мощь этого метода, целая наука не могла двигаться, занимаясь только гибридологией. Для развития любой дисциплины требуется множество методик и подходов. А для их возникновения, в свою очередь, зачастую просто необходимо развитие смежных дисциплин и появление новых технологий.

Для того чтобы генетика сделала новый качественный скачок вперед, необходимо было развитие цитологии - науки о клетке. Поскольку главным открытым вопросом во всей биологии на начало прошлого века был вопрос о том, где в клетке хранится наследственная информация. Где локализуются гены?

Ответ на этот вопрос пришел не сразу. Прежде всего, в семидесятые-восьмидесятые годы позапрошлого столетия Э. Страсбургер у растений и В. Флеминг у животных описали процесс формирования новых клеток - деление. Сейчас этот процесс мы называем митозом.

Именно митоз - это та стадия клеточного цикла, в котором и происходит передача наследственной информации. Очевидно, что перед этим она должна каким-то образом удвоится, чтобы одна из копий попала в одну клетку, а другая в другую (иначе дочерние клетки не будут точь-в-точь похожи на материнскую). Плюс, какие-то механизмы должны эту информацию поровну распределить по дочерним клеткам. Именно открытие и подробное изучение процесса клеточного деления и привело в последствии исследователей к формулировке очень важной биологической теории - Хромосомной теории наследственности.

Сами хромосомы были открыты 1883 году В. Вальдейером. Сам термин «хромосома» можно дословно перевести как «окрашиваемое тельце». Такое название появилось потому, что при приготовлении давленого препарата каких-либо клеток, необходимо этот препарат покрасить специальными красителями, чтобы изображение под микроскопом было четче и лучше. При этом большинство использовавшихся тогда красителей окрашивали митотические хромосомы таким образом, что те становились очень хорошо видны внутри клетки.

Первые свидетельства в пользу того, что хромосомы играют непосредственную роль в наследственности было получены в результате эмбриологических и цитологических исследований, проведенных известным немецким естествоиспытателем Теодором Бовери.

Именно Бовери первым установил, что у каждого вида живых организмов число и форма хромосом постоянна. Также ему принадлежит идея о том, что во время интерфазы хромосомы не исчезают, «растворяясь» в ядре, а сохраняются в целостности, просто приобретают неконденсированное состояние (см. урок «Строение и функции ядра»). Основываясь на своих экспериментах с оплодотворением яиц морского ежа, в которых он выяснил, что для формирования нормальной личинки необходимы все хромосомы, он первым пришел к выводу о том, что наследственные факторы заключены в хромосомах. Позднее, в 1902 году, вместе с ученым Уолтером Сеттоном, они показали, что поведение хромосом в ходе мейоза и слияния гамет очень хорошо соотносится с тем, как ведут себя менделевские наследственные факторы. Фактически, в основе поведения хромосом у диплоидных организмов лежит довольно простая схема: у взрослой особи есть два типа клеток - соматические и половые. В соматических клетках каждая хромосома имеет своего «дублёра» (гомологичную хромосому), и получается, что хромосомный набор удвоен. Тогда как в половых клетках, которые образуются в результате мейоза, все эти пары расходятся, и набор становится одинарным. При слиянии половых клеток в ходе оплодотворения, образуется зигота, в которой снова восстанавливается диплоидный (двойной) набор хромосом, но при этом половина этого набора приходит от одного родителя, а другая половина - от другого.

Очевидно, что менделевская гипотеза чистоты гамет и следствия из его первых законов очень хорошо укладываются в подобную схему. В самом деле, по Менделю, во взрослом организме признаки определяются парами наследственных факторов, тогда как в каждую гамету попадает только один такой фактор из пары.

Мендель очень грамотно и честно ставил свои эксперименты. И его гибридологический метод дал поистине великолепные результаты. Но, несмотря на все изящество и всю мощь этого метода, целая наука не могла двигаться, занимаясь только гибридологией. Для развития любой дисциплины требуется множество методик и подходов. А для их возникновения, в свою очередь, зачастую просто необходимо развитие смежных дисциплин и появление новых технологий.

Для того чтобы генетика сделала новый качественный скачок вперед, необходимо было развитие цитологии - науки о клетке. Поскольку главным открытым вопросом во всей биологии на начало прошлого века был вопрос о том, где в клетке хранится наследственная информация. Где локализуются гены?

Ответ на этот вопрос пришел не сразу. Прежде всего, в семидесятые-восьмидесятые годы позапрошлого столетия Э. Страсбургер у растений и В. Флеминг у животных описали процесс формирования новых клеток - деление. Сейчас этот процесс мы называем митозом.

Именно митоз - это та стадия клеточного цикла, в котором и происходит передача наследственной информации. Очевидно, что перед этим она должна каким-то образом удвоится, чтобы одна из копий попала в одну клетку, а другая в другую (иначе дочерние клетки не будут точь-в-точь похожи на материнскую). Плюс, какие-то механизмы должны эту информацию поровну распределить по дочерним клеткам. Именно открытие и подробное изучение процесса клеточного деления и привело в последствии исследователей к формулировке очень важной биологической теории - Хромосомной теории наследственности.

Сами хромосомы были открыты 1883 году В. Вальдейером. Сам термин «хромосома» можно дословно перевести как «окрашиваемое тельце». Такое название появилось потому, что при приготовлении давленого препарата каких-либо клеток, необходимо этот препарат покрасить специальными красителями, чтобы изображение под микроскопом было четче и лучше. При этом большинство использовавшихся тогда красителей окрашивали митотические хромосомы таким образом, что те становились очень хорошо видны внутри клетки.

Первые свидетельства в пользу того, что хромосомы играют непосредственную роль в наследственности было получены в результате эмбриологических и цитологических исследований, проведенных известным немецким естествоиспытателем Теодором Бовери.

Именно Бовери первым установил, что у каждого вида живых организмов число и форма хромосом постоянна. Также ему принадлежит идея о том, что во время интерфазы хромосомы не исчезают, «растворяясь» в ядре, а сохраняются в целостности, просто приобретают неконденсированное состояние (см. урок «Строение и функции ядра»). Основываясь на своих экспериментах с оплодотворением яиц морского ежа, в которых он выяснил, что для формирования нормальной личинки необходимы все хромосомы, он первым пришел к выводу о том, что наследственные факторы заключены в хромосомах. Позднее, в 1902 году, вместе с ученым Уолтером Сеттоном, они показали, что поведение хромосом в ходе мейоза и слияния гамет очень хорошо соотносится с тем, как ведут себя менделевские наследственные факторы (таблица 1, а также урок «Мейоз и оплодотворение»).

Фактически, в основе поведения хромосом у диплоидных организмов лежит довольно простая схема: у взрослой особи есть два типа клеток - соматические и половые. В соматических клетках каждая хромосома имеет своего «дублёра» (гомологичную хромосому), и получается, что хромосомный набор удвоен. Тогда как в половых клетках, которые образуются в результате мейоза, все эти пары расходятся, и набор становится одинарным. При слиянии половых клеток в ходе оплодотворения, образуется зигота, в которой снова восстанавливается диплоидный (двойной) набор хромосом, но при этом половина этого набора приходит от одного родителя, а другая половина - от другого.

Очевидно, что менделевская гипотеза чистоты гамет и следствия из его первых законов очень хорошо укладываются в подобную схему. В самом деле, по Менделю, во взрослом организме признаки определяются парами наследственных факторов, тогда как в каждую гамету попадает только один такой фактор из пары.

Эти соображения явились прямыми указаниями на то, что гены локализуются в хромосомах. однако, на тот момент все эти заключения находились в области гипотез. Основные доказательства хромосомной теории наследственности были получены в экспериментах Т.Х. Моргана и его сотрудников в начале прошлого столетия. Основным объектом, с которым работал Морган и его группа, была плодовая мушка Drosophila melanogaster (рисунок 1). Этот объект очень удобен для генетического анализа, поскольку мух легко выращивать в пробирках с питательной средой, они очень плодовиты (от одной пары может получиться до 100 потомков), имеют множество альтернативных признаков, которые наследуются по моногибридной схеме. А цикл развития таких мух при 25^о С полностью проходит за 10 дней (рисунок 2). Помимо этого, оказалось, что хромосомы дрозофилы чрезвычайно удобны для проведения разного рода исследований. Их всего четыре пары (рисунок 3), что очень облегчает их анализ на препаратах.

Сцепление с полом

Первые прямые указания на то, что гены действительно расположены в хромосомах, Морган получил, когда обнаружил признаки, наследование которых отклонялось от менделевской схемы. Отличия он обнаружил, когда провел серию реципрокных скрещиваний дрозофил. Морган изучал ген, ответственный за окраску глаз у дрозофилы. Он назвал его white. Мухи дикого типа (генотип w+_) обладают красными глазами, а мухи с мутантным, рецессивным аллелем (генотип ww), являются белоглазыми.

В реципрокных скрещиваниях родительское поколение имеет одинаковые фенотипы. Просто если в прямом скрещивании доминантный аллель передается потомству от одного родителя (например, от особи мужского пола), то в обратном скрещивании этот аллель привносится самкой. Такие скрещивания и будут называться реципрокными друг относительно друга.

При скрещивании красноглазой самки и белоглазого самца в F1 все мухи были красноглазыми, а в F2 происходило расщепление в соотношении 3/4 красноглазых и 1/4 белоглазых. Эта ситуация на вызывала бы удивления, если бы в F2 белоглазыми не были только самцы, а среди красноглазых мух самки и самцы встречались в отношении 2:1. Результаты же реципрокного скрещивания оказались еще любопытнее. При скрещивании красноглазого самца с белоглазой самкой (оба родителя - представители чистых линий) в потомстве сразу проявилось расщепление 1:1: все самки были красноглазыми, а все самцы обладали белыми глазами.

У самок же в норме присутствуют две Х-хромосомы (они друг другу гомологичны). Таким образом, с точки зрения кариотипа, самки дрозофил образуют только гаметы с Х-хромосомой (гомогаметный пол), а самцы - гаметы как с Х-, так и с Y-хромосомой (гетерогаметный пол).

Исходя из этих данных Морган предположил, что ген white локализован в Х-хромосоме, тогда как Y-хромосома попросту лишена такого гена, а следовательно, не участвует в генетическом контроле признака окраски глаз. Предложенная им модель соответствовала наблюдаемым результатам (рисунок 5). Такой тип наследования получил название сцепленного с полом.

Гемизиготным по данному гену называется организм, содержащий только один аллель этого гена. Так бывает в случае сцепления с полом. Тогда все гены, находящиеся в половых хромосомах гетерогаметного пола оказываются как раз в гемизиготном состоянии.

Пол является генетически детерминированным признаком. Однако, на проявление этого признака оказывает влияние множество генов. У большинства организмов пол определяется при помощи половых хромосом, в которых и содержатся гены, ответственные за его проявление. Существуют разные механизмы, по которым происходит генетическое определение пола организма (таблица 2). У дрозофилы решающим фактором для определения пола является соотношение Х-хромосом (при нарушениях клеточного цикла их может быть больше двух) и аутосом (неполовых хромосом). Если это соотношение в зиготе равно 1 (2Х:2А), то образуется самка, если оно равно 0,5 (1Х:2А) - самец. Если это отношение принимает другие значения, то особь приобретает те или иные отклонения в развитии, либо становится стерильной.

У человека гомогаметен также женский пол (ХХ), а гетерогаметен - мужской (ХY), однако в этом случае Y-хромосома несет функцию, определяющую пол. Без нее признаки мужского пола не развиваются.

У птиц и бабочек гомогаметен не женский, а мужской пол. В этом случае половые хромосомы обозначают ZZ, а женский пол - ZW. При этом сцепленное с полом наследование обнаруживают гены, находящиеся в Z-хромосоме (по аналогии с Х-хромосомой дрозофилы из примера, рассмотренного ранее).

Также стоит упомянуть, что гены, расположенные только в Y-хромосоме передаются исключительно по мужской линии. Это явление голандрического наследования.

У растений тоже встречаются половые хромосомы, однако в связи с многочисленными особенностями жизненного цикла, их активность проявляется несколько иначе.

У части животных существует совершенно особый тип определения пола - гапло-диплоидный тип. Он встречается у перепончатокрылых насекомых (ос, пчел, муравьев). В этом случае самки развиваются из оплодотворенных яиц, и поэтому являются диплоидными, а самцы - из неоплодотворенных яиц, в следствие чего - гаплоидные. При этом в результате сперматогенеза число хромосом не редуцируется и остается гаплоидным.

Сцепление и кроссинговер

Эксперименты с геном white, а также данные, полученные ранее другими исследователями, убедили Моргана в том, что гены, чем бы они не являлись, могут находиться в хромосомах. Для того, чтобы подтвердить эту гипотезу, он решил провести дигибридные скрещивания мух. Логика экспериментов была следующая. Многие ученые, разделявшие хромосомную гипотезу наследственности, указывали на то, что число признаков, а, соответственно, и генов, ответственных за их проявление, гораздо больше числа хромосом. Очень хорошо это заметно у видов с небольшим числом хромосом: у гороха их 7 пар, у дрозофилы - 4, у аскариды - 1.

Это означает, что в одной хромосоме может находиться довольно много генов. Следовательно, находясь в одной хромосоме, они должны наследоваться сцеплено. Легче всего выявить сцепленные гены, проводя анализирующее дигибридное скрещивание. Морган исследовал два признака - признак окраски тела (альтернативные проявления: серое тело G и черное тело g) и признак длины крыла (длинные крылья L и зачаточные крылья l). Он скрещивал дигетерозигот по этим генам GgLl с двойными рецессивными гомозиготами ggll.

При этом было возможно два варианта. Если гены расположены в разных хромосомах, они должны будут подчиняться закону независимого распределения, и в этом случае расщепление будет 1(GgLl):1(Ggll):1(ggLl):1(ggll) (рисунок 6а). Если же гены находятся в одной хромосоме и наследуются сцеплено, то расщепление в потомстве будет 1(GgLl):1(ggll).

Однако, ни одна из этих картин не была получена. Вместо этого наблюдалось расщепление:

Таким образом, очевидно, преобладали родительские фенотипы. Этим ситуация была больше похожа на второй случай со сцеплением, однако, в расщеплении появлялись два класса, которые Морган впоследствии назвал рекомбинантными - в них родительские признаки перекомбинировались между собой.

Морган повторял подобные скрещивания с разными парами признаков, при этом оказывалось, что либо в точности соблюдалось соотношение 1:1:1:1, либо два родительских фенотипа в соотношении 1:1 сопровождались появлением некоторого количества рекомбинантных потомков (конкретные процентные значения всегда были разными). Из всего этого Морган заключил, что гены действительно находятся в хромосомах, однако, не всегда они при этом наследуются строго сцеплено. Очевидно, существует определенный процесс, осуществляющий рекомбинацию генов на определенной стадии клеточного цикла (рисунок 7). Эти соображения Моргана хорошо согласовывались с феноменом, открытым в 1909 году бельгийским цитологом Янссенсом. Этот исследователь наблюдал в световой микроскоп так называемые хиазмы - структуры, образующиеся между гомологичными хромосомами в профазе первого деления мейоза (см. урок «Клеточный цикл. Мейоз»). Этот феномен свидетельствовал о том, что гомологичные хромосомы в действительности в ходе мейоза могут обмениваться своими участками. Морган выявил геетическое значение этого процесса и назвал его кроссинговером (дословно - «перекрёст»).

Как уже говорилось, процент кроссоверных особей в потомстве от анализирующих скрещиваний всегда разный. Это зависит от исследуемых генов. Тогда как для одной пары генов этот процент остается неизменным. Объяснение этой закономерности дал ученик Моргана, А.Г. Стёртевант. Он исходил из предположения, что гены расположены в хромосомах линейно. Это означает, что чем дальше они друг от друга, тем больше вероятность того, что между ними произойдет кроссинговер.

Соответственно и доля рекомбинантных фенотипов в потомстве от анализирующего скрещивания будет больше. То есть, расстояние между генами можно оценивать в процентах кроссинговера между ними. Позднее единица измерения генетического расстояния, равная одному проценту кроссинговера между генами, получила название сантиМорган (сМ), или морганида. Таким образом, оказалось, что можно картировать гены на хромосоме друг относительно друга. Техника таких исследований не сложна. По описанной выше схеме проводятся дигибридные анализирующие скрещивания.

Допустим, необходимо определить взаимное расположение трех гипотетических генов: А, В и С. В результате проведенных скрещиваний выясняется, что процент кроссинговера между генами А и В равен 14%, а между генами В и С - 8%. Но гены могут располагаться как в последовательности А В С, тогда расстояние между А и С будет равняться 22 сМ, так и в последовательности А С В. В этом случае расстояние между А и С будет равно 6 сМ (рисунок 10). Для того, чтобы выяснить это точно, необходимо поставить еще одно скрещивание и получить экспериментальный результат для генов А и С.

В результате продолжительной работы, проводимой разными учеными и исследовательскими группами по всему миру, на хромосомах самых разных видов было картировано множество генов с морфологическим эффектом. Накопление такого рода морфологических маркеров на хромосомных картах важно для ведения селекционной работы, исследования новых мутаций и генетических болезней у сельскохозяйственных животных и растений, а также у человека.

Итогом работы Моргана и его учеников стало то, что была сформулирована Хромосомная теория наследственности. Одна из четырех основных биологических теорий, формулировка которой определила характер ведения генетических исследований на полвека вперед. Вот те ее постулаты, которые были предложены Морганом и его сотрудниками:

1. Гены располагаются в хромосомах; различные хромосомы содержат неодинаковое число генов, причем набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален;

2. Каждый ген имеет определенное место (локус) в хромосоме; в идентичных локусах гомологичных хромосом находятся аллельные гены;

3. Гены расположены в хромосомах в линейной последовательности; Гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления; число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида организмов;

4. Сцепление генов может нарушаться в процессе кроссинговера; Частота кроссинговера зависит от расстояния между генами: чем больше расстояние, тем больше процент кроссинговера (прямая зависимость);

5. Каждый вид имеет характерный только для него набор хромосом - кариотип.

Эти постулаты верны и по сей день, хотя со времен Моргана биология изменилась очень сильно. Однако, некоторые из этих правил все же допускают исключения. В частности, не все гены эукариот располагаются в ядре. И не всегда места локализации генов на хромосомах постоянны. Но об этом чуть позже. Важно лишь помнить, что формулирование хромосомной теории наследственности определило дальнейшее развитие генетики и биологии в целом, в очередной раз перевернув представления о природе передачи признаков от родителей потомкам.

Современные представления о гене

Как уже говорилось ранее, представления о природе наследственных факторов сильно менялись в ходе развития генетики. К середине 20-х годов сформировалось представление о том, что ген -- это материальная частица, находящаяся в хромосоме, и способная к саморепродукции. Считалось, что гены -- это мельчайшие частицы, являющиеся носителями генетической информации, единицами рекомбинации (кроссинговер никогда не наблюдался внутри гена) и мутации (ген изменяется как единое целое). Группа сцепленных генов представлялась в виде механически связанных (по принципу «бусины на нити») частиц. При этом сами гены считались неделимыми в ходе кроссинговера. Наличие аллельных форм одного гена объяснялось просто: при диком фенотипе ген присутствует, а при мутантном его просто нет (гипотеза «присутствия-отсутствия»).

Очень скоро такие представления стали подвергаться критике и меняться. Началось с того, что были получены серии мутации с очень сходным фенотипом. Например, у дрозофил появлялись мутанты с измененной формой щетинок. Однако всякий раз эти изменения были различными по форме и длине этих щетинок. Стали полагать, что изменению подвергается один ген, просто в разных своих участках, следовательно, и фенотипы разнятся. Эту гипотезу можно проверить несложным тестом, предложенным Морганом. Рецессивных мутантов надо скрестить между собой и получить гетерозиготное потомство. Если в нем дикий тип не восстановится, это будет означать, что мутации затронули разные гены. Если же дикий тип будет восстановлен, то мутации локализованы в разных частях одного гена, следовательно в гетерозиготе может синтезироваться нормальный продукт (см. урок «Взаимодействие генов», межаллельная комплементация). Таким образом, было выяснено, что у одного гена может быть много аллелей. Это поставило под вопрос правомерность гипотезы присутствия-отсутствия и пошатнуло представления о неделимости гена.

Следующим этапом в развитии представлений о гене стало то, что были отмечены случаи кроссинговера внутри гена. Это легко проследить в случае, если две различные по своему фенотипическому проявлению мутации располагаются в разных концах одного гена. Тогда можно поставить скрещивание, аналогичное тем, что ставил Морган, и убедиться, что незначительная часть (доли процента) особей будут кроссоверными. Это было проделано для гена lz** у дрозофил.

Одну из первых гипотез о физико-химической природе генов выдвинул русский биолог Николай Константинович Кольцов в 30-х годах ХХ века. Он полагал, что хромосомы -- это длинные белковые тяжи с боковыми ответвлениями -- генами. ДНК в то время считалась сравнительно простым органическим соединением. Ей не приписывали наследственных свойств и считали лишь структурным компонентом хромосом.

Еще до того, как стало ясно, что гены -- это в действительности фрагменты нуклеиновых кислот, было выяснено, что гены влияют на синтез ферментов. Это обнаружили в своих экспериментах Джордж Бидл и Эдвард Тэйтум. Они исследовали мутации у гриба Neurospora crassa и впервые показали, что мутации прерывают метаболические пути на строго определенных стадиях. При этом аллельные мутации всегда затрагивали один и тот же этап биосинтеза. На основе этих результатов ими был сформулирован принцип «один ген -- один фермент», означавший, что каждый ген контролирует синтез какого-либо фермента.

Чуть позже выяснилось, что именно ДНК, а не белки выполняет наследственную функцию в организме. Это было показано Эйвери и Маккарти на бактериях и чуть позже Херши и Чейз на бактериофагах. Тогда не существовало никаких понятий о том, как именно генетическая информация хранится в ДНК и что заставляет ее реализовываться в виде последовательностей аминокислот белков. Однако уже было ясно, что без ДНК нет наследственности, и гены состоят именно из нуклеотидов этого полимера, являясь, очевидно, фрагментом одной линейной протяженной молекулы.

Еще одно очень важное исследование вопроса о единице генетической функции, рекомбинации и мутации провел американский биолог Сэймур Бензер. Исследуя частоты рекомбинации между множественными мутантными формами бактериофага Т4, он определил, что минимальная частота рекомбинации между соседними мутациями составила 0,02%. Это означает, что с минимальной частотой соседние рекомбинационные события происходили на расстоянии нескольких нуклеотидов.

На фоне этих чисто генетических работ велись также биохимические и молекулярные исследования хромосом и собственно ДНК. Как уже писалось ранее, в 1953 году стало понятно, что клеточная ДНК представлена двумя комплементарными цепочками нуклеотидов, организованными в правильную правозакрученную спираль. Также, открытие Уотсоном и Криком принципа комплементарности нуклеотидов позволило объяснить, каким образом происходит репликация этой молекулы, а, следовательно, и удвоение наследственной информации, необходимое для образования новых клеток.

Подводя итог первой половине ХХ столетия можно сказать, что было точно известно следующее:

гены -- это участки молекулы ДНК

мутации (а следовательно, образование новых аллелей данного гена) могут происходить в любой его точке

гомологичная рекомбинация может произойти между любыми двумя нуклеотидами в цепочке ДНК

гены являются носителями информации о структуре белков

Следующим этапом в изучении природы гена стал механизм его работы. Главным вопросом здесь стало то, что же из себя представляет собственно генетическая информация? Благодаря работам Бидла и Тэйтума стало ясно, что это некая инструкция к синтезу ферментов и других белков организма. Но как она записана? Каково соответствие между нуклеотидами и аминокислотами? Уже неоднократно говорилось о том, что с открытием структуры ДНК был совершен прорыв в экспериментальной биологии. Многие ученые, занимавшиеся этим вопросом, пошли дальше. В частности, в 60-х годах ХХ века Крик решил выяснить, каким образом последовательность нуклеотидов кодирует последовательность аминокислот. Идея экспериментов была сравнительно проста и могла быть реализована после того, как стало ясно, какие ферменты и клеточные структуры участвуют в процессе биосинтеза белка, и оказалось возможно проведение этого процесса in vitro, то есть в пробирке (см. урок «Биосинтез белка»). Просто брались искусственно синтезированные последовательности ДНК, состоящие из регулярных сочетаний нуклеотидов по три. Например:

АТААТААТААТААТААТ

или просто:

GGGGGGGGGGGGGGGG

и дальше ученые анализировали полипептидную последовательность, синтезированную на такой матрице. После чего стало понятно, какие триплеты кодируют какие аминокислоты, и была составлена таблица генетического кода. Но и на этом вопросы не прекратились.

Функциональные области внутри гена и регуляторные последовательности

Белок состоит из ограниченного количества аминокислот. Все они закодированы триплетами нуклеотидов одного гена. Это значит, что ген должен иметь какие-то границы. Начало и конец считывания информации. Но как определить эти начало и конец, если ген состоит только из последовательности нуклеиновой кислоты? Фактически это просто «беспорядочное» чередование мономеров в длинной молекуле!

Однако, все не так просто. Оказалось, что последовательность геномной ДНК буквально напичкана разного рода регуляторными последовательностями и сайтами. Эти сайты могут узнавать различные ферменты, осуществляющие с ДНК всевозможные манипуляции. Это молекулярное узнавание происходит по типу соединения молекулы белка с субстратом, которое происходит в активном центре (см. урок «Аминокислоты и белки»). В англоязычной литературе белки, способные узнавать конкретные последовательности нуклеиновых кислот называются сиквенс-специфическими (sequence -- последовательность, англ.). Как известно из урока о биосинтезе белка, этот процесс делится на две крупные стадии: транскрипцию и трансляцию. В ходе транскрипции, на матрице геномной ДНК синтезируется небольшая молекула информационной РНК, для того, чтобы генетическую информацию можно было передать в цитоплазму на рибосомы, где и завершается синтез. Процесс транскрипции, то есть комплементарный синтез и-РНК на матрице ДНК, осуществляет фермент РНК-полимераза. Это фермент узнает регуляторную область гена, которая называется промотором. Промотор -- это участок ДНК, предшествующий кодирующей последовательности гена. Он обычно состоит из двух или трех отдельных сайтов, протяженностью в несколько нуклеотидов. Обязательным компонентом практически всех промоторов является последовательность ТАТА (так называемый ТАТА-бокс).

Сам синтез, как уже говорилось, начинается с триплета ATG, кодирующего метионин. Именно он служит началом любой кодирующей последовательности (однако, не стоит думать, что все белки начинаются с метионина; в большинстве случаев начальные аминокислоты потом отделяются).

Также, в любом гене есть сайты терминации транскрипции, доходя до которых РНК-полимераза прекращает свою работу.

Но этими последовательностями регуляторные области генов не ограничиваются. Дело в том, что далеко не все гены организма работают все время (конститутивно). Большинство генов время от времени выключается, а потом снова начинает работу. Бывает даже так, что ген работает только на строго определенной стадии онтогенеза, или же в строго определенной ткани организма. Как же сделать так, чтобы ген то работал, а то не работал? Для этого тоже существуют специальные участки ДНК. В частности у многих генов есть так называемые операторные последовательности. С ними связываются белки-репрессоры, которые не дают полимеразе связываться с промотором и начинать синтез. Для того, чтобы репрессор диссоциировал от молекулы ДНК необходимо, чтобы к нему присоединился индуктор. Индуктор изменяет конформацию репрессора таким образом, что тот отсоединяется от последовательности нуклеотидов и дает возможность полимеразе присоединиться к промотору и начать синтез РНК.

Помимо регуляторных элементов, присущих практически каждому гену, и без которых работа гена невозможна, существуют также последовательности, способные изменять уровень экспрессии генов. То есть делать так, что информация с гена считывается чаще или реже. К таким последовательностям относятся энхансеры (to enhance -- ускорять, увеличивать, англ.) и сайленсеры (silence -- тишина, англ.) Эти последовательности могут находиться и на некотором отдалении от самих генов, но при этом оказывать влияние на их работу. Стоит также упомянуть и то, что подобные регуляторные элементы могут находиться и внутри интронов генов.

Гены работают сообща

Очень часто бывает так, что гены, контролирующие один процесс или сопряженные процессы, находятся рядом друг с другом и контролируются одним промотором и репрессором. Такой генетический конгломерат называется опероном. Впервые опероны были обнаружены у бактерии Escherichia coli (кишечная палочка) в ходе исследований ее роста на среде с лактозой. Как вы помните из урока про углеводы и липиды, лактоза -- это дисахарид, состоящий из одного остатка глюкозы и одного остатка галактозы. Для того чтобы использовать это питательное соединение, необходимо, чтобы синтезировались белки, пропускающие его в клетку (пермеаза) и расщепляющие его внутри клетки (в-галактозидаза).

То, что эти гены расположены под контролем одних регуляторных элементов позволяет им работать согласовано. Помимо пермеазы и в-галактозидазы в состав лактозного оперона также входят ген, кодирующий белок-репрессор, и ген, кодирующий фермент трансацетилазу.

Когда в среде лактозы мало, она не проникает в клетку, следовательно, синтезировать продукты лактозного оперона незачем. Если же концентрация лактозы в среде такова, что она может послужить источником питания клетки и проникает внутрь цитоплазмы, то эти гены необходимо активировать.

...