Природа генов

 

Для каждой пары аллеломорфных  признаков (фенотипов, определяемых различными аллелями) получилось отношение 3 : 1, характерное  для моногибридного скрещивания - среди  семян было 423 гладких и 133 морщинистых, 416 желтых и 140 зеленых.

 

Эти результаты позволили  Менделю утверждать, что две пары признаков (форма и окраска семян), наследственные задатки которых  объединились в поколении F1, в последующих  поколениях разделяются и ведут  себя независимо одна от другой. На этом основанвторой закон Менделя - принцип  независимого распределения, согласно которому каждый признак из одной  пары признаков может сочетаться с любым признаком из другой пары.

 

    2. 4. Краткое изложение  сути гипотез Менделя

 

Каждый признак данного  организма контролируется парой  аллелей. Если организм содержит два  различных аллеля для данного  признака, то один из них (доминантный) может проявляться, полностью подавляя проявление другого (рецессивного). При  мейозе каждая пара аллелей разделяется (расщепляется) и каждая гамета получает по одному из каждой пары аллелей (принцип  расщепления). При образовании мужских  и женских гамет в каждую из них может попасть любой аллель из одной пары вместе с любым другим из другой пары (принцип независимого распределения). Каждый аллель передается из поколения в поколение как  дискретная не изменяющаяся единица. Каждый организм наследует по одному аллелю (для каждого признака) от каждой из родительских особей.

 

    3. Хромосомная  теория наследственности

 

К концу XIX в. в результате повышения оптических качеств микроскопов  и совершенствования цитологических методов возможно стало наблюдать  поведение хромосом в гаметах  и зиготах. Еще в 1875 г. Гертвиг обратил внимание на то, что при оплодотворении яиц морского ежа происходит слияние (двух ядер - ядра спермия и ядра яйцеклетки. В 1902 г. Бовери продемонстрировал важную роль ядра в (регуляции развития признаков организма, а в 1882 г. Флемминг описал поведение хромосом во время митоза.

 

В 1900 г. законы Менделя были вторично открыты и должным образом  оценены почти одновременно и  независимо друг от друга тремя учеными - де Фризом, Корренсом иЧермаком. Корренс  сформулировал выводы Менделя в  привычной нам форме двух законов  и ввел термин “фактор”, тогда как  Мендель для описания единицы  наследственности пользовался словом “элемент”. Позднее американец УильямСэттон заметил удивительное сходство между  поведением хромосом во время образования  гамет и оплодотворения и передачейменделевских  наследственных факторов. На основании  изложенных выше данных Сэттон и Бовери высказали мнение, что хромосомы  являются носителями менделевских факторов, и сформулировали так называемую хромосомную теорию наследственности. Согласно этой теории, каждая пара факторов локализована в паре гомологичных хромосом, причем каждая хромосома несет по одному фактору. Поскольку число  признаков у любого организма  во много раз больше числа его  хромосом, видимых в микроскоп, каждая хромосома должна содержать множество  факторов.

 

В 1909 г. Иогансен заменил термин фактор, означавший основную единицу  наследственности, термином ген. Альтернативные формы гена, определяющие его проявление в фенотипе, назвали аллеля- ми. Аллели - это конкретные формы, которыми может  быть представлен ген, и они занимают одно и то же место - локус - в гомологичных хромосомах.

 

    4. Сцепление

 

Все ситуации и примеры, обсуждавшиеся  до сих пор, относились к наследованию генов, находящихся в разных хромосомах. Как выяснили цитологи, у человека все соматические клетки содержат по 46 хромосом. Поскольку человек обладает тысячами различных признаков таких, например, как группа крови, цвет глаз, способность секретировать инсулин, - в каждой хромосоме должно находиться большое число генов. Гены, лежащие  в одной и той же хромосоме, называют сцепленными. Все гены какой-либо одной хромосомы образуют группу сцепления; они обычно попадают в  одну гамету и наследуются вместе. Таким образом, гены, принадлежащие  к одной группе сцепления, обычно не подчиняются менделевскому принципу независимого распределения. Поэтому  при дигибридном скрещивании  они не дают ожидаемого отношения 9: 3: 3: 1. В таких случаях получаются самые разнообразные соотношения. У дрозофилы гены, контролирующие окраску тела и длину крыла, представлены следующими парами аллелей (назовем  соответствующие признаки): серое  тело - черное тело, длинные крылья - зачаточные (короткие) крылья. Серое  тело и длинные крылья доминируют. Ожидаемое отношение фенотипов  в F2 от скрещивания между гомозиготой  с серым телом и длинными крыльями и гомозиготой с черным телом  и зачаточными крыльями должно составить 9: 3: 3: 1. Это указывало бы на обычное  менделевское наследование при дигибридном  скрещивании, обусловленное случайным  распределением генов, находящихся  в разных, негомологичных хромосомах. Однако вместо этого в F2 были получены в основном родительские фенотипы в  отношении примерно 3: 1. Это можно  объяснить, предположив, что гены окраски  тела и длины крыла локализованы в одной и той же хромосоме, т. е. сцеплены.

 

Практически, однако, соотношение 3: 1 никогда не наблюдается, а возникают  все четыре фенотипа. Это объясняется  тем, что колкое сцепление встречается  редко. В большинстве экспериментов  по скрещиванию при наличии сцепления  помимо мух с родительскими фенотипами обнаруживаются особи с новыми сочетаниями  признаков. Эти новые фенотипы называют рекомбинантными. Все это позволяет  дать следующее определение сцепления: два или более генов называют сцепленными, если потомки с новыми генными комбинациями (рекомбинанты) встречаются реже, чем родительские фенотипы.

 

    5. Группы сцепления  и хромосомы

 

Генетические исследования, проводившиеся в начале нашего века, в основном были направлены на выяснение  роли генов в передаче признаков. Работы Моргана с плодовой мушкойDrosophila melanogaster показали, что большинство  фенотипических признаков объединено у нее в четыре группы сцепления  и признаки каждой группы наследуются  совместно. Было замечено, что число  групп сцепления соответствует  числу пар хромосом.

 

Изучение других организмов привело к сходным результатам. При экспериментальном скрещивании  разнообразных организмов обнаружилось, что некоторые группы сцепления  больше других (т. е. в них больше генов). Изучение хромосом этих организмов показало, что они имеют разную длину. Морган доказал наличие четкой связи между этими наблюдениями. Они послужили дополнительными  подтверждениями локализации генов  в хромосомах.

 

    5. 1. Гигантские  хромосомы и гены

 

В 1913 г. Стертевант начал свою работу по картированию положения генов  в хромосомах дрозофилы, во это было за 21 год до того, как появилась  возможность связать различимые в хромосомах структуры с генами. В 1934 г. было замечено, что в клетках  слюнных желез дрозофилы хромосомы  примерно в 100 раз крупнее, чем в  других соматических клетках. По каким-то причинам эти хромосомы многократно  удваиваются, но не отделяются друг от друга, до тех пор пока их не наберется  несколько тысяч, лежащих бок  о бок. Окрасив хромосомы и  изучая их с помощью светового  микроскопа, можно увидеть, что они  состоят из чередующихся светлых  и темных поперечных полос. Для каждой хромосомы характерен свой особый рисунок  полос. Первоначально предполагали, что эти полосы представляют собой  гены, но оказалось, что дело обстоит  не так просто. У дрозофилы можно  искусственным путем вызывать различные  фенотипические аномалии, которые сопровождаются определенными изменениями в  рисунке поперечных полос, видимых  под микроскопом. Эти фенотипические и хромосомные аномалии коррелируют  в свою очередь с генными локусами. Это позволяет сделать вывод, что полосы на хромосомах действительно  как-то связаны с генами, но взаимоотношения  между теми и другими остаются пока неясными.

 

    6. Определение  пола

 

Рисунок 1. Хромосомные наборы самца и самки D. melanogaster. Они состоят  из четырех пар хромосом (пара I - половые хромосомы).

 

    Рисунок 2. Вид  половых хромосом человека в  метафазе митоза.

 

Особенно четким примером описанного выше метода установления зависимости между фенотипи- ческими  признаками организмов и строением  их хромосом служит определение пола. У дрозофилы фенотипические различия между двумя полами явно связаны  с различиями в хромосомах (рис. 1). При изучении хромосом у самцов и  самок ряда животных между ними были обнаружены некоторые различия. Как  у мужских, так и у женских  особей во всех клетках имеются пары одинаковых (гомологичных) хромосом, но по одной паре хромосом они различаются. Этоваловые хромосомы (гетеросомы). Все  остальные хромосомы называют аутосомами. Как можно видеть на рис. 1, у дрозофилы  четыре пары хромосом. Три пары (II, III и IV) идентичны у обоих полов, но пара I, состоящая из идентичных хромосом у самки, различается у самца. Эти хромосомы называют X - и Y - хромосомами; генотип самки XX, а самца - XY. Такие  различия по половым хромосомам характерны для большинства животных, в том  числе для человека (рис. 1), но у  птиц (включая кур) и у бабочек  наблюдается обратная картина: у  самок имеются хромосомы XY, а у  самцов - XX. У некоторых насекомых, например у прямокрылых, Y - хромосомы  нет вовсе, так что самец имеет  генотип ХО.

 

При гаметогенезе наблюдается  типичное менделевское расщепление  по половым хромосомам. Например, у  млекопитающих каждое яйцо содержит одну Х - хромосому, половина спермиев - одну X - хромосому, а другая половина - одну Y - хромосому. Пол потомка зависит  от того, какой спермий оплодотворит яйцеклетку. Пол с генотипом XX называютгомогаметным, так как у него образуются одинаковые гаметы, содержащие только Х - хромосомы, а пол с генотипомXY - гетерогаметным, так как половина гамет содержит X-, а половина - Y - хромосому. У человека генотипический пол данного индивидуума  определяют, изучая неделящиеся клетки. Одна Х - хромосома всегда оказывается  в активном состоянии и имеет  обычный вид. Другая, если она имеется, бывает в покоящемся состоянии, в  виде плотного темно - окрашенного тельца, называемого тельцем Барра. Число  телец Барра всегда на единицу  меньше числа наличных Х - хромосом, т. е. у самца (XY) их нет вовсе, а  у самки (ХХ) - только одно. Функция Y - хромосомы, очевидно, варьирует в  зависимости от вида. У человека Y - хромосома контролирует дифференцировку  семенников, которая в дальнейшем влияет на развитие половых органов  и мужских признаков. У большинства  организмов, однако, Y хромосома не содержит генов, имеющих отношение к полу. Ее даже называют генетически инертной или генетически пустой, так как  в ней очень мало генов. Как  полагают, у дрозофилы гены, определяющие мужские признаки, находятся в  аутосомах, и их фенотипические эффекты  маскируются наличием пары Х - хромосом; в присутствии одной Х - хромосомы  мужские признаки проявляются. Это  пример наследования, ограниченного  полом (в отличие от наследования, сцепленного с полом), при котором, например, у женщин подавляются гены, детерминирующие рост бороды.

 

Морган и его сотрудники заметили, что наследование окраски  глаз у дрозофилы зависит от пола родительских особей, несущих альтернативные аллели. Красная окраска глаз доминирует над белой. При скрещивании красноглазого  самца с белоглазой самкой вF1, получали равное число красноглазых самок и белоглазых самцов. Однако при скрещивании белоглазого самца с красноглазой самкой в F1 были получены в равном числе красноглазые самцы и самки. При скрещивании этих мух F1, между собой были получены красноглазые самки, красноглазые и белоглазые самцы, но не было ни одной белоглазой самки. Тот факт, что у самцов частота проявления рецессивного признака была выше, чем у самок, наводил на мысль, что рецессивный аллель, определяющий белоглазость, находится в Х - хромосоме, а Y хромосома лишена гена окраски глаз. Чтобы проверить эту гипотезу, Морган скрестил исходного белоглазого самца с красноглазой самкой из F1. В потомстве были получены красноглазые и белоглазые самцы и самки. Из этого Морган справедливо заключил, что только Х - хромосома несет ген окраски глаз. В Y - хромосоме соответствующего локуса вообще нет. Это явление известно под названием наследования, сцепленного с полом.

 

    6. 1. Наследование, сцепленное с полом

 

Гены, находящиеся в половых  хромосомах, называют сцепленными с  полом. В Х - хромосоме имеется  участок, для которого в Y-хромосоме  нет гомолога. Поэтому у особей мужского пола признаки, определяемые генами этого участка, проявляются  даже в том случае, если они рецессивны. Эта особая форма сцепления позволяет  объяснить наследованиепризнаков, сцепленных с полом, например цветовой слепоты, раннего облысения и  гемофилии у человека. Гемофилия  сцепленный с полом рецессивный  признак, при котором нарушается образование фактора VIII, ускоряющего  свертывание крови. Ген, детерминирующий  синтез фактора VIII, находится в участке  Х - хромосомы, не имеющем гомолога, и представлен двумя аллелями - доминантным нормальным и рецессивным  мутантным. Возможны следующие генотипы и фенотипы:

 

    Генотип

    Фенотип

    XHXH

    Нормальная женщина

    XHXh

    Нормальная женщина  (носитель)

    XHy

    Нормальный мужчина

    XhY

    Мужчина - гемофилитик

 

Особей женского пола, гетерозиготных по любому из сцепленных с полом  признаков, называютносителями соответствующего рецессивного гена. Они фенотипически  нормальны, но половина их гамет несет  рецессивный ген. Несмотря на наличие  у отца нормального гена, сыновья  матерей - носителей с вероятностью 50% будут страдать гемофилией. От брака  женщины - носителя с нормальным мужчиной могут родиться дети с различными фенотипами. Один из наиболее хорошо документированных примеров наследования гемофилии мы находим в родословной потомков английской королевы Виктории. Предполагают, что ген гемофилии возник в результате мутации у самой королевы Виктории или у одного из ее родителей. На рис. 3 показано, как этот ген передавался ее потомкам.

 

    7. Взаимодействие  между генами

 

До сих пор рассматривались  относительно простые аспекты генетики: доминирование, моногибридное и  дигибридное скрещивание, сцепление, определение пола и наследование, сцепленное с полом. Известны, однако, и другие взаимодействия между генами, и возможно, что именно они определяют большую часть фенотипических признаков  организма.

 

    7. 1. Неполное доминирование

 

Известны случаи, когда  два или более аллелей не проявляют  в полной мере доминантность или  рецессивность, так что в гетерозиготном состоянии ни один из аллелей не доминирует над другим. Это явлениенеполового  доминирования, или кодоминантность, представляет собой исключение из описанного Менделем правила наследования при  моногибридных скрещиваниях. К счастью, Мендель выбрал для своих экспериментов  признаки, которым не свойственно  неполное доминирование; в противном  случае оно могло бы сильно осложнить  его первые исследования.