Природа генов

Генетика по праву может  считаться одной из самых важных областей биологии. На протяжении тысячелетий  человек пользовался генетическими  методами для улучшения домашних животных и возделываемых растений, не имея представления о механизмах, лежащих в основе этих методов. Судя по разнообразным археологическим  данным, уже 6000 лет назад люди понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения  другому. Отбирая определенные организмы  из природных популяций и скрещивая  их между собой, человек создавал улучшенные сорта растений и породы животных, обладавшие нужными ему  свойствами.

 

Однако лишь в начале XX в. ученые стали осознавать в полной мере важность законов наследственности и ее механизмов. Хотя успехи микроскопии  позволили установить, что наследственные признаки передаются из поколения в  поколение через сперматозоиды  и яйцеклетки, оставалось неясным, каким  образом мельчайшие частицы протоплазмы  могут нести в себе “задатки”  того огромного множества признаков, из которых слагается каждый отдельный  организм. Первый действительно научный  шаг вперед в изучении наследственности был сделан австрийским монахомГрегором  Менделем, который в 1866 г. опубликовал  статью, заложившую основы современной  генетики. Мендель показал, что наследственные задатки не смешиваются, а передаются от родителей потомкам в виде дискретных (обособленных) единиц. Эти единицы, представленные у особей парами, остаются дискретными и передаются последующим  поколениям в мужских и женских  гаметах, каждая из которых содержит по одной единице из каждой пары. В 1909 г. датский ботаник Иогансен назвал эти единицы гедам”, а  в 1912 г. американский генетик Морган показал, что они находятся в  хромосомах. С тех пор генетика достигла больших успехов в объяснении природы наследственности и на уровне организма, и на уровне гена.

 

    Природа генов

 

Изучение наследственности уже давно было связано с преставлением  о ее корпускулярной природе. В 1866 г. Мендель высказал предположение, что  признаки организмов определяются наследуемыми единицами, которые он назвал “элементами”. Позднее их стали называть “факторами”  и, наконец, генами; было показано, что  гены находятся в хромосомах, с  которыми они и передаются от одного поколения к другому.

 

Несмотря на то, что уже  многое известно о хромосомах и структуре  ДНК, дать определение гена очень  трудно, пока удалось сформулировать только три возможных определения  гена:

 

    а) ген как  единица рекомбинации.

 

На основании своих  работ по построению хромосомных  карт дрозофилы Морган постулировал, что ген - этонаименьший участок  хромосомы, который может быть отделен  от примыкающих к нему участков в  результате кроссинговера. Согласно этому  определению, ген представляет собой  крупную единицу, специфическую  область хромосомы, определяющую тот  или иной признак организма; б) ген  как единица мутирования.

 

В результате изучения природы  мутаций было установлено, что изменения  признаков возникают вследствие случайных спонтанных изменений  в структуре хромосомы, в последовательности оснований или даже в одном  основании. В этом смысле можно было сказать, что ген - это одна пара комплиментарных  оснований в нуклеотидной последовательности ДНК, т. е. наименьший участок хромосомы, способный претерпеть мутацию. в) ген  как единица функции.

 

Поскольку было известно, что  от генов зависят структурные, физиологические  и биохимические признаки организмов, было предложено определять ген какнаименьший  участок хромосомы, обусловливающий  синтез определенного продукта.

 

    2. Исследования  Менделя

 

Грегор Мендель родился  в Моравии в 1822 г. В 1843 г. он поступил в монастырь августинцев в  Брюние (ныне Брно, Чехословакия), где  принял духовный сан. Позже он отправился в Вену, где провел два года, изучая в университете естественную историю  и математику, после чего в 1853 г. вернулся в монастырь. Такой выбор предметов, несомненно, оказал существенное влияние  на его последующие работы по наследованию признаков у гороха. Будучи в Вене, Мендель заинтересовался процессом  гибридизации растений и, в частности, разными типами гибридных потомков и их статистическими соотношениями. Эти проблемы и явились предметом  научных исследований Менделя, которые  он начал летом 1856 г. Успехи, достигнутые  Менделем, частично обусловлены удачным  выбором объекта для экспериментов-гороха огородного (Рisum sativum). Мендель удостоверился, что по сравнению с другими  этот вид обладает следующими преимуществами:

 

1) имеется много сортов, четко различающихся по ряду  признаков; 2) растения легко выращивать;

 

3) репродуктивные органы  полностью прикрыты лепестками, так что растение обычносамоопыляется;  поэтому его сорта размножаются  в чистоте, т. е. их признаки  из поколения в поколение остаются  неизменными; 4) возможно искусственное  скрещивание сортов, и оно дает  вполне плодовитых гибридов. Из 34 сортов гороха Мендель отобрал  22 сорта, обладающие четко выраженными  различиями по ряду признаков,  и использовал их в своих  опытах со скрещиванием. Менделя  интересовали семь главных признаков:  высота стебля, форма семян, окраска  семян, форма и окраска плодов, расположение и окраска цветков.  И до Менделя многие ученые  проводили подобные эксперименты  на растениях, но ни один  из них не получил таких  точных и подробных данных; кроме  того, они не смогли объяснить  свои результаты с точки зрения  механизма наследственности. Моменты,  обеспечившие Менделю успех, следует  признать необходимыми условиями  проведения всякого научного  исследования и принять их  в качестве образца. Условия  эти можно сформулировать следующим  образом:

 

1) проведение предварительных  исследований для ознакомления  с экспериментальным объектом;

 

2) тщательное планирование  всех экспериментов, с тем чтобы  всякий раз внимание было сосредоточено  на одной переменной, что упрощает  наблюдения; 3) строжайшее соблюдение  всех методик, с тем чтобы  исключить возможность введения  переменных, искажающих результаты (подробности см. ниже); 4) точная регистрация  всех экспериментов и запись  всех полученных результатов; 5) получение  достаточного количества данных, чтобы их можно было считать  статистически достоверными. Как  писал Мендель, “достоверность  и полезность всякого эксперимента  определяются пригодностью данного  материала для тех целей, в  которых он используется”.

 

Следует, однако, отметить, что  в выборе экспериментального объекта  Менделю кое в чем и просто повезло: в наследовании отобранных им признаков не было ряда более  сложных особенностей, открытых позднее, таких как неполное доминирование, зависимость более чем от одной  пары генов, сцепление генов.

 

2. 1. Наследование при моногибридном  скрещивании и закон расщепления

 

Для своих первых экспериментов  Мендель выбирал растения двух сортов, четко различавшихся по какому-либо признаку, например по расположению цветков: цветки могут быть распределены по всему стеблю (пазушные) или находиться на конце стебля (верхушечные). Растения, различающиеся по одной паре альтернативных признаков, Мендель выращивал на протяжении ряда поколений. Семена от пазушных цветков всегда давали растения с пазушными цветками, а семена от верхушечных цветков- растения с  верхушечными цветками. Таким образом, Мендель убедился, что выбранные  им растения размножаются в чистоте (т. е. без расщепления потомства) и пригодны для проведения опытов по гибридизации (экспериментальных  скрещиваний).

 

Его метод состоял в  следующем: он удалял у ряда растений одного сорта пыльники до того, как  могло произойти самоопыление (эти  растения Мендель называл “женскими”); пользуясь кисточкой, он наносил  на рыльца этих “женских” цветков  пыльцу из пыльников растения другого  сорта; затем он надевал на искусственно опыленные цветки маленькие колпачки, чтобы на их рыльца не могла попасть  пыльца с других растений. Мендель  проводил реципрокные скрещивания - переносил пыльцевые зерна как  с пазушных цветков на верхушечные, так и с верхушечных на пазушные. Во всех случаях из семян, собранных  от полученных гибридов, вырастали  растения с пазушными цветками. Этот признак-“пазушные цветки”, -наблюдаемый  у растений первого гибридного поколения, Мендель назвал доминантным; позднее, в 1902 г. , Бэтсон и Сондерс стали  обозначать первое поколение гибридного потомства символом F1. Ни у одного из растений F1 не было верхушечных цветков. На цветки растений F1Мендель надел  колпачки (чтобы не допустить перекрестного  опыления) и дал им возможностьсамоопылиться. Семена, собранные c растений F1, были пересчитаны  и высажены следующей весной для  получения второго гибридного поколения, F2 (поколение F2 - это всегда результат  инбридинга в поколении F1, в данном случае самоопыления). Во втором гибридном  поколении у одних растений образовались пазушные цветки, а у других верхушечные. Иными словами, признак “верхушечные цветки”, отсутствовавший в поколенииF1, вновь появился в поколении F2. Мендель  рассудил, что этот признак присутствовал  в поколении F1 в скрытом виде, но не смог проявиться; поэтому он назвал его рецессивным. Из 858 растений, полученных Менделем в F2, у 651 были пазушные цветки, а у 207-верхушечные. Мендель провел ряд аналогичных опытов, используя  всякий раз одну пару альтернативных признаков. Результаты экспериментальных скрещиваний по семи парам таких признаков приведены в табл. 1.

 

    Признак

    Родительские растения

    Поколение F2

    Отношение

    доминантный признак

    рецессивный признак

    доминантные

    рецессивные

    Высота стебля

    Высокий

    Низкий

    787

    277

    2, 84 : 1

    Семена

    Гладкие

    Морщинистые

    5474

    1850

    2, 96 : 1

    Окраска семян

    Желтые

    Зеленые

    6022

    2001

    3, 01 : 1

    Форма плодов

    Плоские

    Выпуклые

    882

    299

    2, 95 : 1

    Окраска плодов

    Зеленые

    Желтые

    428

    152

    2, 82 : 1

    Положение цветков

    Пазушные

    Верхушечные

    651

    207

    3, 14 : 1

    Окраска цветков

    Красные

    Белые

    705

    224

    3, 15 : 1

    Итого

    14949

    5010

    2, 98 : 1

 

Таблица 1. Результаты экспериментов  Менделя по наследованию семи пар  альтернативных признаков.

 

(Наблюдаемое соотношение  доминантных и рецессивных признаков  приближается к теоретически  ожидаемому 3 : 1).

 

Во всех случаях анализ результатов показал, что отношение  доминантных признаков к рецессивным  в поколении F2 составляло примерно 3 : 1.

 

Приведенный выше пример типичен  для всех экспериментов Менделя, в которых изучалось наследование одного признака (моногибридные скрещивания). На основании этих и аналогичных  результатов Мендель сделал следующие  выводы: 1. Поскольку исходные родительские сорта размножались в чистоте (не расщеплялись), у сорта с пазушными  цветками должно быть два “пазушных” фактора, а у сорта с верхушечными цветками - два “верхушечных” фактора. 2. Растения F1 содержали но одному фактору, полученному от каждого из родительских растений через гаметы. 3. Эти факторы  в F1 не сливаются, а сохраняют свою индивидуальность. 4. “Пазушный” фактор доминирует над “верхушечным” фактором, который рецессивен. Разделение пары родительских факторов при образовании  гамет (так что в каждую гамету попадает лишь один из них) известно под  названиемпервого закона Менделя, или  закона расщепления. Согласно этому  закону, признаки данного организма  детерминируются парами внутренних факторов. В одной гамете может  быть представлен лишь один из каждой пары таких факторов. Теперь мы знаем, что эти факторы, детерминирующие  такие признаки, как расположение цветка, соответствуют участкам хромосомы, называемымгенами.

 

Описанные выше эксперименты, проводившиеся Менделем при изучении наследования одной пары альтернативных признаков, служат примероммоногибридного скрещивания.

 

    2. 2 Возвратное, или  анализирующее, скрещивание

 

Организм из поколения F1, полученного от скрещивания между  гомозиготной доминантной и гомозиготной рецессивной особями, гетерозиготен  по своему генотипу, но обладает доминантным  фенотипом. Для того чтобы проявился  рецессивный фенотип, организм должен быть гомозиготным по рецессивному аллелю. В поколении F2 особи с доминантным  фенотипом могут быть как гомозиготами, таки гетерозиготами. Если селекционеру понадобилось выяснить генотип такой  особи, то единственным способом, позволяющим  сделать это, служит эксперимент  с использованием метода, называемого  анализирующим ( возвратным ) скрещиванием. Скрещивая организм неизвестного генотипа с организмом, гомозиготным по рецессивному аллелю изучаемого гена, можно определить этот генотип путем одного скрещивания. Например, у плодовой мушки Drosophila длинные  крылья доминируют над зачаточными. Особь с длинными крыльями может  быть гомозиготной(LL) или гетерозиготной (Ll). Для установления ее генотипа надо провести анализирующее скрещивание  между этой мухой и мухой, гомозиготной по рецессивному аллелю(ll). Если у всех потомков от этого скрещивания будут  длинные крылья, то особь с неизвестным  генотипом - гомозигота по доминантному аллелю. Численное соотношение потомков с длинными и с зачаточными  крыльями 1 : 1 указывает на гетерозиготность особи с неизвестным генотипом.

 

2. 3. Дигибридное скрещивание  и закон независимого распределения  Установив возможность предсказывать  результаты скрещиваний по одной  паре альтернативных признаков,  Мендель перешел к изучению  наследования двух пар таких  признаков. Скрещивания между  особями, различающимися по двум  признакам, называют дигибридными. В одном из своих экспериментов  Мендель использовал растения  гороха, различающиеся по форме  и окраске семян. Применяя метод,  описанный в разд. 2. 1, он скрещивал  между собой чистосортные ( гомозиготные) растения с гладкими желтыми  семенами и чистосортные растения  с морщинистыми зелеными семенами. У всех растений F1 (первого поколения гибридов) семена были гладкие и желтые. По результатам проведенных ранее моногибридных скрещиваний Мендель уже знал, что эти признаки доминантны; теперь, однако, его интересовали характер и соотношение семян разных талов в поколении F2, полученном от растений F1 путем самоопыления. Всего он собрал от растений F2 556 семян, среди которых было гладких желтых 315

 

    морщинистых желтых 101

    гладких зеленых  108

    морщинистых зеленых  32

 

Соотношение разных фенотипов  составляло примерно 9: 3: 3: 1 (дигибридное  расщепление). На основании этих результатов  Мендель сделал два вывода: В поколении F2появилось два новых сочетания  признаков: морщинистые и желтые; гладкие и зеленые.