Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости

3. Взаимодействие  между генами

До сих пор  рассматривались относительно простые  аспекты генетики: доминирование, моногибридное  и дигибридное скрещивания, 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. 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 явление неполного 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  же случае оно могло бы сильно осложнить  его первые исследования.

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.

     Эпистаз.

     Ген называют эпистатическим (от греческого epi – 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 греческого hypo – под). Окраска  шерсти у мышей контролируется парой  генов, находящихся в разных локусах. Эпистатичесикй 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 лишь 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. 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.

     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 наличии  лимитирующих факторов) ген высокого стебля не мог в полной мере проявить свое действие. Эффект взаимодействия генотипа и факторов среды продемонстрировал  датский генетик Иоганнсен. 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 отличались по среднему весу, тогда как средний вес  семян из разных линий сильно различался. Это позволяет считать, что на фенотипическое проявление признака оказывает  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 различных индивидуумов, 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. Источники изменчивости.

     Необходимо  ясно себе представлять, 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 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:

     Реципкорный обмен между хроматидами гомологичных хромосом, который может происходить  в профазе 1 мейоза. Он создает новые  группы сцепления, т.е. служит важным источником генетической рекомбинации аллелей.

     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 операция носит случайный характер. Во время  метафазы II пары хроматид опять-таки ориентируются  случайным образом, и этим определяется, к какому из двух противоположных  полюсов направится та или иная хромосома  во время анафазыII. 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 все время  происходящих 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. Мутации.

     Мутацией  называют изменение количества или  структуры ДНК данного организма. Мутация приводит к изменению  генотипа, которое может быть унаследовано клетками, происходящими от мутантной  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, возникшие в соматических клетках, наследуются только дочерними клетками, образовавшимися путем митоза и такие мутации называют соматическими.

     Мутации, возникающие в результате изменения  числа или макроструктуры хромосом, известны под названием хромосомных  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 локусе, 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 энотеры Oenothera 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. 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  иРНК 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, делеции, 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 – либо доброкачести одной белоглазой самки. Тот факт, что у самцов частота  проявления рецессивного признака выше, чем у самок, наводил на мысль, что рецессивный аллель, определяющий белоглазость, находится в X- 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 X- хромосома несет  ген окраски глаз. В Y –хромосоме соответствующего локуса вообще нет. Это  явление известно под названием  наследования, сцепленного с полом.  

     Наследование, сцепленное с полом.

     Гены, находящиеся в половых хромосомах, называют сцепленными с полом. В X-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. Это особая форма сцепления позволяет объяснить  наследование признаков, 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 X- хромосомы, не имеющем гомолога, и представлен  двумя аллелями – доминантным  и рецессивным мутантным.

     ген гемофилии возник в результате мутации  у самой королевы Виктории или  у одного из ее родителей.

4. Современные возможности и задачи генетики и генной инженерии

Химеры.

Широкие возможности  глубже понять роль генов в дифференцировке  клеток и в регуляции взаимодействий между клетками в процессе развития дают химерные и трансгенные животные. Развитие экспериментальных методов  в последнее время сделало  возможным получать совершенно необычных  животных, которые несут гены не только одного отца и одной матери, но и большего количества предков. Химерные животные – это генетические мозаики, образующиеся в результате объединения  бластомеров от эмбрионов с разными  генотипами. Получение таких эмбрионов  осуществляется во многих лабораториях. Принцип получения химер сводится главным образом к выделению  двух или большего числа ранних зародышей  и их слиянию. В том случае, когда  в генотипе зародышей, использованных для создания химеры есть отличия  по ряду характеристик, удается проследить судьбу клеток обоих видов. С помощью  химерных мышей был, например, решен  вопрос о способе возникновения  в ходе развития многоядерных клеток попречнополосатых мышц. Изучение химерных животных позволило решить немало трудных  вопросов, и в будущем благодаря  применению этого метода появится возможность  решать сложные вопросы генетики и эмбриологии. Трансгенные организмы.

Развитие генной инженерии создало принципиально  новую основу для конструирования  последовательностей ДНК, нужную исследователям. Успехи в области экспериментальной  биологии позволили создать методы введения таких искусственно созданных  генов в ядра яйцеклеток или сперматозоидов. В результате возникла возможность  получения трансгенных животных, т.е. животных, несущих в своем  организме чужеродные гены.