Природа генов

 

Неполное доминирование  наблюдается как у растений, так  и у животных. В большинстве  случаев гетерозиготы обладают фенотипом, промежуточным между фенотипами доминантной и рецессивной гомозигот. Примером служат андалузские куры, полученные в результате скрещивания  чистопородных черных и “обрызганных белых” (splashed white) кур. Черное оперение обусловлено наличием аллеля, определяющего  синтез черного пигмента меланина. У “обрызганных” кур этот аллель отсутствует. У гетерозигот меланин  развивается не в полной мере, создавая лишь голубоватый отлив на оперении. Поскольку общепринятых символов для  обозначения аллелей с неполным доминированием не существует, нам  необходимо ввести для генотипов  такие символы, чтобы сделать  понятными приведенные ниже схемы  получения андалузских кур.

 

Возможны, например, такие  обозначения: черные - В, “обрызганные” - b, W, BW или BBW. Результаты скрещивания  между гомозиготными черными  и “обрызганными” курами представлены в табл. 2.

 

При скрещивании между  собой особей F1 отношение фенотипов  в F2 отличается от менделевского отношения 3 : 1, типичного для моногибридного скрещивания. В этом случае получается отношение 1: 2: 1, где у половины особей F2 будет такой же генотип, как  у F1 (табл. 3). Отношение 1 : 2 : 1 характерно для результатов скрещиваний  при неполном доминировании.

 

    Фенотипы родителей

    Черные (гомозиготы)

    “Обрызганные”  белые (гомозиготы)

    Генотипы родителей  (2n)

    BB

    BWBW

    Мейоз

    Гаметы (n)

    B B

    BW BW

    Случайное оплодотворение

    Генотипы F1 (2n)

    BBW BBW

    BBW BBW

    Фенотипы F1

    Все куры - “голубые”  гетерозигты

    Таблица 2. Скрещивание  кур андалузской породы: гибриды  F1.

    Фенотипы F1

    “голубые”

    “голубые”

    Генотипы F1 (2n)

    BBW

    BBW

    Мейоз

    Гаметы (n)

    B BW

    B BW

    Случайное оплодотворение

    Генотипы F2 (2n)

    BB BBW

    BBW BW BW

    Фенотипы F2

    Черные

    1 :

    Голубые

    2

    “Обрызганные”  белые

    : 1

    Таблица 3. Скрещивание  кур андалузской породы: гибриды  F2.

    Летальные гены

 

Известны случаи, когда  один ген может оказывать влияние  на несколько признаков, в том  числе на жизнеспособность. У человека и других млекопитающих определенный рецессивный ген вызывает образование  внутренних спаек легких, что приводит к смерти при рождении. Другим примером служит ген, который влияет на формирование хряща и вызывает врожденные уродства, ведущие к смерти плода или  новорожденного.

 

У кур, гомозиготных по аллелю, вызывающему “курчавость” перьев, неполное развитие перьев влечет за собой  несколько фенотипических эффектов. У таких кур теплоизоляция  недостаточна, и они страдают от охлаждения. Для компенсации потери тепла у них появляется ряд  структурных и физиоло гических адаптаций, но эти адаптации малоэффектны и среди таких кур высока смертность.

 

Воздействие летального гена ясно видно на примере наследования окраски шерсти у мышей. У диких  мышей шерсть обычно серая, типа агути; но у некоторых мышей шерсть желтая. При скрещиваниях между желтыми  мышами в потомстве получаются как  желтые мыши, так и агути в отношении 2 : 1. Единственное возможное объяснение таких результатов состоит в  том, что желтая окраска шерсти доминирует над агути и что все желтые мыши гетерозиготны. Атипичное менделевское отношение объясняется гибелью  гомозиготных желтых мышей до рождения. При вскрытии беременных желтых мышей, скрещенных с желтыми же мышами, в их матках были обнаружены мертвые  желтые мышата. Если же скрещивались желтые мыши и агути, то в матках беременных самок не оказывалось мертвых  желтых мышат, поскольку при таком  скрещивании не может быть потомства, гомозиготного по гену желтой шерсти.

 

    7. 3. Эпистаз

 

Ген называют эпистатическим (от греч. еpi - над), если его присутствие  подавляет эффект какого-либо гена, находящегося в другом локусе. Эпистатические гены иногда называют ингибирующими  генами, а те гены, действие которых  ими подавляется, - гипостатическими (от греч. hypo - под). Окраска шерсти у  мышей контролируется парой генов, находящихся в разных локусах. Эпистатический ген определяет наличие окраски  и имеет два аллеля: доминантный, определяющий окрашенную шерсть, и рецессивный, обусловливающий альбинизм (белая окраска). Гипостатический ген определяет характер окраски и имеет два аллеля: агути (доминантный, определяющий серую окраску) и черный (рецессивный). Мыши могут иметь серую или черную окраску в зависимости от своих генотипов, но наличие окраски возможно только в том случае, если у них одновременно имеется аллель окрашенной шерсти. Мыши, гомозиготные по рецессивному аллелю альбинизма, будут альбиносами даже при наличии у них аллелей агути и черной шерсти. Возможны три разных фенотипа: агути, черная шерсть и альбинизм. При скрещивании можно получить эти фенотипы в различных соотношениях в зависимости от генотипов скрещиваемых особей.

 

    7. 4. Полигенное  наследование

 

Многие из самых заметных признаков организма представляют собой результат совместного  действия многих различных генов; эти  гены образуют особый генный комплекс, называемыйполигенной системой. Хотя вклад каждого отдельного гена, входящего  в такую систему, слишком мал, чтобы оказать сколько-нибудь значительное влияние на фенотип, почти бесконечное  разнообразие, создаваемое совместным действием этих генов (полигенов), составляет генетическую основунепрерывной изменчивости.

 

    8. Изменчивость

 

Изменчивостью называют всю  совокупность различий по тому или  иному признаку между организмами, принадлежащими к одной и той  же природной популяции или виду. Поразительное морфологическое  разнообразие особей в пределах любого вида привлекло внимание Дарвина  и Уоллеса во время их путешествий. Закономерный, предсказуемый характер передачи таких различий по наследству послужил основой для исследований Менделя. Дарвин установил, что определенные признаки могут развиваться в  результате отбора, тогда как Мендель  объяснил механизм, обеспечивающий передачу из поколения в поколение признаков, по которым ведется отбор. Мендель  описал, каким образом наследственные факторы определяют генотип организма, который в процессе развития проявляется  в структурных, физиологических  и биохимических особенностях фенотипа. Если фенотипическое проявление любого признака обусловлено в конечном счете генами, контролирующими этот признак, то на степень развития определенных признаков может оказывать влияние  среда.

 

Изучение фенотипических различий в любой большой популяции  показывает, что существуют две формы  изменчивости - дискретная и непрерывная. Для изучения изменчивости какого-либо признака, например роста у человека, необходимо измерить этот признак у  большого числа индивидуумов в изучаемой  популяции. Результаты измерений представляют в виде гистограммы, отражающей распределение  частот различных вариантов этого  признака в популяции. На рис. 4 представлены типичные результаты, получаемые при  таких исследованиях, и они наглядно демонстрируют различие между дискретной и непрерывной изменчивостью.

 

    8. 1. Дискретная  изменчивость

 

Некоторые признаки в популяции  представлены ограниченным числом вариантов. В этих случаях различия между  особями четко выражены, а промежуточные  формы отсутствуют; к таким признакам  относятся, например, группы крови у  человека, длина крыльев у дрозофилы, меланистическая и светлая формы  у березовой пяденицы(Biston betularia), длина столбика у первоцвета (Primula) и пол у животных и растений. Признаки, для которых характерна дискретная изменчивость, обычно контролируются одним или двумя главными генами, у которых может быть два или  несколько аллелей, и внешние  условия относительно мало влияют на их фенотипическую экспрессию.

 

Поскольку дискретная изменчивость ограничена некоторыми четко выраженными  признаками, ее называют такжекачественной  изменчивостью в отличие от количественной, или непрерывной, изменчивости.

 

    А Б

 

Рисунок 4. Гистограммы, отражающие распределение частот в случае прерывистой (А) и не прерывистой (Б) изменчивости.

 

    Непрерывная изменчивость

 

По многим признакам в  популяции наблюдается полный ряд  переходов от одной крайности  к другой без всяких разрывов. Наиболее яркими примерзлая служат такие признаки, как масса (вес), линейные размеры, форма  и окраска организма в целом  или отдельных его частей. Частотное  распределение по признаку, проявляющему непрерывную изменчивость, соответствуеткривой  нормального распределения. Большинство  членов популяции попадает в среднюю  часть кривой, а на ее концах, соответствующих  двум крайним значениям данного  признака, находится примерное одинаковое (очень малое) число особей. Признаки, для которых характерна непрерывная  изменчивость, обусловлены совместным воздействием многих генов (полигенов) и факторов среды. Каждый из этих генов  в отдельности оказывает очень  небольшое влияние на фенотип, но совместно они создают значительный эффект.

 

    Влияние среды

 

Главный фактор, детерминирующий  любой фенотипический признак, - это  генотип. Генотип организма определяется в момент оплодотворения, но степень  последующей экспрессии этого генетического  потенциала в значительной мере зависит  от внешних факторов, воздействующих на организм во время его развития. Так, например, использованный Менделем сорт гороха с длинным стеблем  обычно достигал высоты 180 см. Однако для  этого ему необходимы были соответствующие  условия - освещение, снабжение водой  и хорошая почва. При отсутствии оптимальных условий (при наличиилимитирующих  факторов) ген высокого стебля не мог  в полной мере проявить свое действие. Эффект взаимодействия генотипа и факторов среды продемонстрировал датский генетик Иогансен. В ряде экспериментов на карликовой фасоли он выбирал из каждого поколения самоопылявшихся растений самые тяжелые и самые легкие семена и высаживал их для получения следующего поколения. Повторяя эти эксперименты на протяжении нескольких лет, он обнаружил, что в пределах “тяжелой” или “легкой” селекционной линии семена мало различались по среднему весу, тогда как средний вес семян из разных линий сильно различался. Это позволяет считать, что на фенотипическое проявление признака оказывают влияние как наследственность, так и среда. На основании этих результатов можно определить непрерывную фенотипическую изменчивость как “кумулятивный эффект варьирующих факторов среды, воздействующих на вариабельный генотип”. Кроме того, эти результаты показывают, что степень наследуемости данного признака определяется в первую очередь генотипом. Что касается развития таких чисто человеческих качеств, как индивидуальность, темперамент и интеллект, то, судя по имеющимся данным, они зависят как от наследственных, так и от средовых факторов, которые, взаимодействуя в различной степени у разных индивидуумов, влияют на окончательное выражение признака. Именно эти различия в тех и других факторах создают фенотипические различия между индивидуумами. Мы пока еще не располагаем данными, которые твердо указывали бы на то, что влияние каких-то из этих факторов всегда преобладает, однако среда никогда не может вывести фенотип за пределы, детерминированные генотипом.

 

    8. 4 Источники изменчивости

 

Необходимо ясно представлять себе, что взаимодействие между дискретной и непрерывной изменчивостью  и средой делает возможным существование  двух организмов с идентичным фенотипом. Механизм репликации ДНК при митозе столь близок к совершенству, что  возможности генетической изменчивости у организмов с бесполым размножением очень малы. Поэтому любая видимая  изменчивость у таких организмов почти наверное обусловлена воздействиями  внешней среды. Что же касается организмов, размножающихся половым путем, то у  них есть широкие возможности  для возникновения генетических различий. Практически неограниченными  источниками генетической изменчивости служат два процесса, происходящие во время мейоза: 1. Реципрокный обмен  генами между хромата- дамп гомологичных хромосом, который может происходить  в профазе 1 мейоза. Он создает новые  группы сцепления, т. е. служит важным источником генетической рекомбинации аллелей.

 

2. Ориентация пар гомологичных  хромосом (бивалентов) в экваториальной  плоскости веретена в метафазе I мейоза определяет направление,  в котором каждый член пары  будет перемещаться в анафазе  I. Эта ориентация носит случайный  характер. Во время метафазы II пары  хроматид опять- таки ориентируется  случайным образом, и этим определяется, к какому из двух противоположных  полюсов направится та или  иная хромосома во время анафазы  II. Случайная ориентация и последующее  независимое расхождение (сегрегация) хромосом делают возможным большое  число различных хромосомных  комбинаций в гаметах; число  это можно подсчитать. Третий  источник изменчивости при половом  размножении - это то, что слияние  мужских и женских гамет, приводящее  к объединению двух гаплоидных  наборов хромосом в диплоидном  ядре зиготы, происходит совершенно  случайным образом (во всяком  случае, в теории); любая мужская  гамета потенциально способна  слиться с любой женской гаметой.  Эти три источника генетической  изменчивости и обеспечивают  постоянную “перетасовку” генов,  лежащую в основе происходящих  все время генетических изменений.  Среда оказывает воздействие  на весь ряд получающихся таким  образом фенотипов, и те из  них, которые лучше всего приспособлены  к данной среде, преуспевают. Это ведет к изменениям частот аллелей и генотипов в популяции. Однако эти источники изменчивости не порождают крупных изменений в генотипе, которые необходимы, согласно эволюционной теории, для возникновения новых видов. Такие изменения возникают в результате мутаций.

 

    9. Мутации

 

Мутацией называют изменение  количества или структуры ДНК  данного организма. Мутация приводит к изменению генотипа, которое  может быть унаследовано клетками, происходящими от мутант- ной клетки в результате митоза или мейоза. Мутирование может вызывать изменения  каких-либо признаков в популяции. Мутации, возникшие в половых  клетках, передаются следующим поколениям организмов, тогда как мутации  в соматических клетках наследуются  только дочерними клетками, образовавшимися  путем митоза, и такие мутации  называютсоматическими.

 

Мутации, возникающие в  результате изменения числа или  макроструктуры хромосом, известны под  названиемхромосомных мутаций или  хромосомных аберраций (перестроек). Иногда хромосомы так сильно изменяются, что это можно увидеть под  микроскопом. Но термин “мутация”  используют главным образом для  обозначения изменения структуры  ДНК в одном докую, когда происходит так называемая генная, или точечная, мутация. Представление о мутации  как о причине внезапного появления  нового признака было впервые выдвинуто  в 1901 г. голландским ботаником Гуго де Фризом, изучавшим наследственность у энотерыOenothera lamarckiana. Спустя 9 лет  Т. Морган начал изучать мутации  у дрозофилы, и вскоре при участии  генетиков всего мира у нее  было идентифицировано более 500 мутаций.

 

    9. 1. Генные мутации

 

Внезапные спонтанные изменения  фенотипа, которые нельзя связать  с обычными генетическими явлениями  или микроскопическими данными  о наличии хромосомных аберраций, можно объяснить только изменениями  в структуре отдельных генов. Генная, или точечная (поскольку  она относится к определенному  генному локусу), мутация - результат  изменения нуклеотидной последовательности молекулы ДНК в определенном участке  хромосомы. Такое изменение последовательности оснований в данном гене воспроизводится  при транскрипции в структуре  мРНК и приводит к изменению последовательности аминокислот в полипептидной  цепи, образующейся в результате трансляции на рибосомах. Существуют различные  типы генных мутаций, связанных с  добавлением, выпадением или перестановкой  оснований в гене. Это дупликации, вставки, делении, инверсии или замены оснований. Во всех случаях они приводят к изменению нуклеотидной последовательности, а часто - и к образованию измененного  полипептида. Например, делеция вызывает сдвиг рамки. Генные мутации, возникающие  в гаметах или в будущих  половых клетках, передаются всем клеткам  потомков и могут влиять на дальнейшую судьбу популяции. Соматические генные мутации, происходящие в организме, наследуются только теми клетками, которые образуются из мутантной  клетки путем митоза. Они могут  оказать воздействие на тот организм, в котором они возникли, но со смертью особи исчезают из генофонда  популяции. Соматические мутации, вероятно, возникают очень часто и остаются незамеченными, но в некоторых случаях при этом образуются клетки с повышенной скоростью роста и деления. Эти клетки могут дать начало опухолям - либодоброкачественным, которые не оказывают особого влияния на весь организм, либо злокачественным, что приводит к раковым заболеваниям. Эффекты генных мутаций чрезвычайно разнообразны. Большая часть мелких генных мутаций фенотипически не проявляется, поскольку они рецессивны, однако известен ряд случаев, когда изменение всего лишь одного основания в определенном гене оказывает глубокое влияние на фенотип. Одним из примеров служит серповидноклеточная анемия- заболевание, вызываемое у человека заменой основания в одном из генов, ответственных за синтез гемоглобина. Молекула дыхательного пигмента гемоглобина у взрослого человека состоит из четырех полипептидных цепей (двух a- и двух Я- цепей), к которым присоединены четыре простетические группы гема. От структуры полипептидных цепей зависит способность молекулы гемоглобина переносить кислород. Изменение последовательности оснований в триплете, кодирующем одну определенную аминокислоту из 146, входящих в состав Я-цепей, приводит к синтезу аномального гемоглобина серповидных клеток (HbS). Последовательности аминокислот в нормальных и аномальныхЯ-цепях различаются тем, что в одной точке аномальных цепей гемоглобина S глутамидовая кислота замещена валином. В результате такого, казалось бы, незначительного изменения гемоглобин S кристаллизуется при низких концентрациях кислорода, а это в свою очередь приводит к тому, что в венозной крови эритроциты с таким гемоглобином деформируются (из округлых становятся серповидными) и быстро разрушаются. Физиологический эффект мутации состоит в развитии острой анемии и снижении количества кислорода, переносимого кровью. Анемия не только вызывает физическую слабость, но и может привести к нарушениям деятельности сердца и почек и к ранней смерти людей, гомозиготных по мутантному аллелю. В гетерозиготном состоянии этот аллель вызывает значительно меньший эффект: эритроциты выглядят нормальными, а аномальный гемоглобин составляет только около40%. У гетерозигот развивается анемия лишь в слабой форме, а зато в тех областях, где широко распространена малярия, особенно в Африке и Азии, носители аллеля серповидноклеточности невосприимчивы к этой болезни. Это объясняется тем, что ее возбудитель -малярийный плазмодий - не может жить в эритроцитах, содержащих аномальный гемоглобин.