Влияние генов на развитие признаков

Проявление действия генов на биохимическом уровне изучали Бидл и Эфрусси на двух рецессивных мутациях окраски глаз у дрозофилы по генам vermilion – V⁺ (яркие глаза) и cinnabar – Cn⁺ (киноварные глаза). У особей, гомозиготных по этим генам, не образуется пигмент, определяющий нормальную окраску глаз.

Бидл и Эфрусси произвели пересадку эмбриональной ткани дисков глаз от личинок мух с мутантными генами vermilion и cinnabar в личинки нормальных мух дрозофил и установили, что имплантированная ткань глаза развилась в дополнительные глаза нормальной окраски. Отсюда был сделан вывод, что в тканях мутантных мух не хватало какого-то вещества для синтеза нормальной окраски глаз.

На основании опытов Бидл и Эфрусси пришли к выводу, что образование пигмента идет по пути: предшественник – вещество I – вещество II – пигмент. У мутанта по гену vermilion блокирована реакция, в результате которой предшественник преобразуется в вещество I, а у мух с мутацией cinnabar блокирована реакция, преобразующая вещество I в вещество II. Исследования показали, что мутации в генах, кодирующих определенные ферменты ведут к блокированию биохимических реакций, нарушая превращение определенных веществ, что влияет на образование признака – окраски глаз.

В 1940 г. Бидл и Татум избрали для своих исследований новый объект – гриб хлебной плесени нейроспору. У нейроспоры в результате последовательной цепи реакций из фенилаланина синтезируется никотиновая кислота. Было обнаружено шесть мутаций, нарушающих нормальный ход ее синтеза. Были установлены промежуточные продукты и порядок их образования при синтезе никотиновой кислоты: фенилаланин ¹Ù антраниловая кислота ²Ù индол (+ серин) ³Ù триптофан ⁴Ù кинуренин ⁵Ù оксиантрониловая кислота ⁶Ù никотиновая кислота.

Генетическое блокирование может происходить на любом из шести этапов. Если мутация произошла на пятой стадии, то синтез обрывался на образовании кинуренина и продолжался при добавлении в среду оксиантраниловой кислоты.

Это позволило Бидлу и Татуму предложить теорию: один ген – один фермент – один признак, согласно которой каждый ген имеет только одну первичную функцию – определять синтез только одного фермента.

Дифференциальная активность генов на разных этапах онтогенеза. В эмбриональной ткани животных клетки относительно одинаковы по форме и составу белков. Позже они дифференцируются, при этом эмбриональная клетка превращается в клетку с различной специализацией. Такое проявление различий между клетками называют дифференцировкой. Дифференциация клеток – это процесс, при котором во время дробления оплодотворенного яйца, клетки постепенно начинают отличаться одна от другой, что приводит к формированию зародыша с тканями морфологических и функциональных различий.

Зигота содержит полный набор генов и всю генетическую информацию данного вида, породы, особи и является тотипотентной. Тотипотентность– это способность соматических клеток при создании соответствующих условий для их роста и дифференциации восстановить целый организм или часть его в эксперименте.

Тотипотентность соматических клеток характерна для растений, из одиночных клеток которых можно в пробирочной культуре получить целое растение, идентичное исходному, в частности, из корнеплодов сахарной свеклы и моркови, из клетки листа бегонии и многих других культур.

У животных тотипотентность клеток сохраняется только на ранних этапах онтогенеза. Джон Гёрдон (1962) получил, таким образом, взрослых особей, выделяя ядра из клеток кишечного эпителия головастиков шпорцевой лягушки и пересаживал их в безъядерные яйцеклетки, разрушая ядра при помощи ультрофиолетовых лучей. Из некоторых яйцеклеток с пересаженным ядром соматической клетки развивались нормальные головастики и взрослые особи. Этим было доказано, что ядра кишечных клеток содержат все гены, необходимые для дифференцировки клеток будущего организма.

Критические периоды развития и их причины. Эмбриологи установили, что в онтогенезе, особенно на ранних стадиях развития, наблюдаются периоды, когда наиболее ярко выражена реакция эмбриона на воздействие внешних факторов. В эти периоды эмбрионы легко повреждаются, у них нарушаются процессы развития органов, что приводит к гибели эмбрионов либо к появлению уродств.

Резкое изменение среды в определенные периоды эмбрионального развития организма может привести к гибели плода. Такие периоды называют критическими.

У кур критические периоды приходятся на 2-3-й день инкубации, когда начинает формироваться система кровообращения; на 8-9-й день развития, когда начинается резко выраженная дифференцировка характерных для птиц органов и тканей; на 19-й день инкубации, когда снова усиливаются процессы дифференцировки и начинает изменяться тип дыхания. В критический период эмбрионы птиц особенно чувствительны к изменению режима инкубации: температуры и влажности воздуха, а также аэрации яиц.