Фундаментальные свойства живого. 6 страница

Популяционно-статистический метод позволяет изучать распространение отдельных генов в человеческих популяциях. Одним из наиболее простых и универсальных математических методов является метод, предложенный Г. Харди и В. Вайнбергом (см. гл. 11). Имеется и ряд других специальных математических методов. В результате становится возможным определить частоту генов в различных группах населения, частоту гетерозиготных носителей ряда наследственных аномалий и болезней.

Исследуемые популяции могут различаться по биологическим признакам, географическим условиям жизни, экономическому состоянию. Изучение распространенности генов на определенных территориях показывает, что в этом отношении их можно разделить на две категории: 1) имеющие универсальное распространение (к их числу относится большинство известных генов); примером могут служить рецессивные гены фенилкетоиурии; 2) встречающиеся локально, преимущественно в определенных районах (ген серповидноклеточной анемии).

Популяционно-статистический метод позволяет определить генетическую структуру популяций (соотношение между частотой гомозигот и гетерозигот). Новые возможности для проведения генетического анализа открывает применение электронно-вычислительной техники. Знание генетического состава популяций населения имеет большое значение для социальной гигиены и профилактической медицины.

Цитогенетическпй метод. Принципы цитогенетических исследований сформировались в течение 20—30-х годов на классическом объекте генетики — дрозофиле и на некоторых расте ниях. Метод основан на микроскопическом исследовании хромосом.

Нормальный кариотнп человека включает 46 хромосом, из них 22 пары аутосом и 2 половые хромосомы. Это удалось шведским ученым Д. Тийо и А. Левану. К этому времени в лаборатории успешно

производили культивирование клеток человека (клетки костного мозга, культуры фибробластов или лейкоцитов периферической крови, стимулированных к делению фитогемагглютинином). Важнейшая задача состоит в умении различать индивидуальные хромосомы в данной метафазной пластинке. Непосредственно, путем визуального наблюдения под микроскопом это сделать трудно, поэтому обычно делают микрофотографии, а затем вырезают отдельные хромосомы и располагают их в порядке убывающей величины (построение кариограммы).

Для идентификации хромосом применяют количественный морфометриче-ский анализ. С этой целью проводят измерение длины хромосомы в микрометрах. Определяют также соотношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы (центромерный индекс).

В настоящее время разработано несколько методов выявления структурной неоднородности по длине хромосом человека. Основу всех методов составляют произведенные на препаратах процессы денатурации и ренатурации ДНК хромосом. Если после денатурации ДНК, вызванной нагреванием и некоторыми другими факторами, провести затем ее ренатурацию— восстановление исходной двунитчатой структуры, а затем окрасить хромосомы красителем Гимзы, то в них выявляется четкая дифференцировка на темноокра-шенные и светлые полосы — диски. Последовательность расположения этих дисков, их рисунок строго специфичен для каждой хромосомы. В результате различных вариантов метода удается выявить центромерный и околоцентромер ный гетерохроматин (С- диски), диски, расположенные по длине хромосом (собственно Гимзы-диски, G-диски).

Если нарушения касаются половых хромосом, то диагностика упрощается. В этом случае проводится не полное кариотипирование, а применяется метод исследования полового хроматина в соматических клетках.

Половой хроматин — это небольшое дисковидное тельце, интенсивно окрашивающееся гематоксилином и другими основными красителями. Оно обнаруживается в интерфазных клеточных ядрах млекопитающих и человека, непосредственно под ядерной мембраной.

Впоследствии было уточнено, что половой хроматин имеется в большинстве клеточных ядер самок (60—70 %), у самцов его обычно нет, либо встречается очень редко (3—5 %).

Половой хроматин можно определить и на мазках крови, в ядрах нейтрофилоцитов эти тельца имеют характерный вид барабанных палочек, отходящих от сложно-дольчатого ядра этих лейкоцитов. В норме у женщин эти структуры обнаруживаются в 3— 7 % нейтрофилоцнтов, а у мужчин они вообще отсутствуют.

Методы гибридизации соматических клеток. Соматические клетки содержат весь объем генетической информации. Это дает возможность изучать многие вопросы генетики чело-

века, которые невозможно исследовать на целом организме. Благодаря методам генетики соматических клеток человек стал как бы одним из экспериментальных объектов. Соматические клетки человека получают из разных органов (кожа, костный мозг, клетки крови, ткани эмбрионов). Чаще всего используют клетки соединительной ткани (фибробласты) и лимфоциты крови. Культивирование клеток вне

организма позволяет получить достаточное количество материала для исследования, что не всегда можно взять у человека без ущерба для здоровья.

В 1960 г. французский биолог Ж. Барский, выращивая вне организма в культуре ткани клетки двух линий мышей, обнаружил, что некоторые клетки по своим морфологическим и биохимическим признакам были промежуточными между исходными родительскими клетками. Эти клетки оказались гибридными.

Гибридизация соматических клеток проводится в широких пределах не только между разными видами, но и типами: человек х мышь, человек х комар, мышь х курица и т. п. В зависимости от целей анализа исследование проводят на гетерокарионах или синкарионах. Синкарионы обычно удается получить при гибридизации в пределах класса. Это истинные гибридные клетки, так как в них произошло объединение двух геномов. Происходит постепенная элиминация хромосом того организма, клетки которого имеют более медленный темп размножения.

Применение метода генетики соматических клеток дает возможность изучать механизмы первичного действия генов и взаимодействия генов.

Методы моделирования. Теоретическую основу биологического моделирования в генетике дает закон гомологических рядов наследственной изменчивости, открытый Н. И. Вавиловым, согласно которому генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости. Исходя из этого закона, можно предвидеть, что в пределах класса млекопитающих (и даже за его пределами) можно обнаружить многие мутации, вызывающие такие же изменения фенотипических признаков, как и у человека. Для моделирования определенных наследственных аномалий человека подбирают и изучают мутантные линии животных, имеющих сходные нарушения.

Многие мутантные линии животных путем возвратного скрещивания переведены в генетически близкие, в результате получены линии, различающиеся только по аллелям одного ло-куса. Это дает возможность уточнить механизм развития данной аномалии. Безусловно, у человека могут быть свойственные только ему заболевания и в результате взаимодействия генов у человека фенотипический эффект может значительно изменяться. Мутантные линии животных не являются точным воспроизведением наследственных болезней человека.

(14) Моногибридное скрещивание. Правило единообразия гибридов первого поколения. В опытах Менделя при скрещивании сортов гороха, имеющих желтые и зеленые семена, все потомство (т. е. гибриды первого поколения) оказалось с желтыми семенами.

Обнаруженная закономерность по -лучила название правила единообразия гибридов первого поколения. Признак, проявляющийся в первом поколении, получил название доминантного (лат. ёогшпапз — господствовать), не проявляющийся, подавленный — рецессивного (лат. recessus — отступление).

Опыты показали, что рецессивный аллель проявляется только в гомозиготном состоянии, а доминантный — как в гомозиготном, так и в гетерозиготном.

Гены расположены в хромосомах. Следовательно, в результате мейоза гомологичные хромосомы (а с ними аллельные гены) расходятся в различные гаметы. Но так как у гомозиготы оба аллеля одинаковы, все гаметы несут один и тот же ген. Таким образом, гомозиготная особь дает один тип гамет.

Следовательно, первый закон Менделя, или закон единообразия гибридов первого поколения, в общем виде можно сформулировать так: при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все потомство в первом поколении единообразно как по фенотипу, так и по генотипу.

Правило расщепления. При скрещивании однородных гибридов первого поколения между собой (самоопыление или родственное скрещивание) во втором поколении появляются особи как с доминантными, так и с рецессивными признаками, т. е. наблюдается расщепление.

Обобщая фактический материал, Мендель пришел к выводу, что во втором поколении происходит расщепление признаков в определенных частотных соотношениях, а именно: 75 % особей имеют доминантные признаки, а 25 % — рецессивные. Эта закономерность получила название второго правила Менделя, или правила расщепления.

Согласно второму правилу Менделя, используя современные термины, можно сделать вывод, что: 1) аллельные гены, находясь в гетерозиготном состоянии, не изменяют друг друга; "} при созревании гамет у гибридов образуется приблизительно равное число гамет с доминантными и рецессивными аллелями; 3) при оплодотворении мужские и женские гаметы, несущие доминантные и рецессивные аллели, свободно комбинируются.

При скрещивании двух гетерозигот (Аа), у каждой из которых образуется два типа гамет — половина с доми-нантным аллелем (А), половина с рецессивным аллелем (а), следует ожидать четыре возможных сочетания.

Таким образом, второе правило Менделя формулируется так: при скрещивании двух гетерозиготных особей, т. е. гибридов, анализируемых по одной альтернативной паре признаков, в потомстве наблюдается расщепление по фенотипу в соотношении 3:1 и по генотипу 1:2:1.

Гипотеза «чистоты гамет», Правило расщепления показывает, что хотя у гетерозйгот проявляются лишь доминантные признаки, однако рецессивный ген не утрачен, более того, он не изменился.

Следовательно, аллельные гены, находясь в гетерозиготном состоянии, не сливаются, не разбавляются, не изменяют друг друга. Эту закономерность Мендель назвал гипотезой «чистоты гамет». В дальнейшем эта гипотеза получила цитологическое обоснование. Вспомним, что в соматических клетках диплоидный набор хромосом. В одинаковых местах (локусах) гомологичных хромосом находятся аллельные гены. Если это гетерозиготная особь, то в одной из гомологичных хромосом расположен доминантный аллель, в другой.— рецессивный. При образовании половых клеток происходит мейоз и в каждую из гамет попадает лишь одна из гомологичных хромосом. В гамете может быть лишь один из аллельных генов. Гаметы остаются «чистыми», они несут только какой-то один из аллелей, определяющий развитие одного из альтернативных признаков.

Доминантные и рецессивные признаки в наследственности человека. В генетике человека известно много как доминантных, так и рецессивных признаков. Одни из них имеют нейтральный характер и обеспечивают полиморфизм в человеческих популяциях, другие приводят к различным патологическим состояниям. Но при этом следует иметь в виду, что доминантные патологические признаки как у человека, так и у других организмов, если они заметно снижают жизнеспособность, сразу же будут отметены отбором, так как носители их не смогут оставить потомства.

Наоборот, рецессивные гены, даже заметно снижающие жизнеспособность, могут в гетерозиготном состоянии длительно сохраняться, передаваясь из поколения в поколение, и проявляются лишь у гомозигот.

Анализирующее скрещивание. Генотип организма, имеющего рецессивный признак, определяется по его фенотипу. Такой организм обязательно должен быть гомозиготным по рецессивному гену, так как в случае гетерозиготности у него был бы доминантный признак. Проявляющие доминантные признаки гомозиготная и гетерозиготная особи по фенотипу неотличимы. Для определения генотипа в опытах на растениях и животных производят анализирующие скрещивания и узнают генотип интересующей особи по потомству. Анализирующее скрещивание заключается в том, что особь, генотип которой неясен, но должен быть выяснен, скрещивается с рецессивной формой. Если от такого скрещивания все потомство окажется однородным, значит анализируемая особь гомозиготна, если же произойдет расщепление, то она гетерозиготна.

Неполное доминирование. В своих опытах Мендель имел дело с примерами полного доминирования, поэтому гетерозиготные особи в его опытах оказались неотличимы от доминантных гомозигот. Но в природе наряду с полным доминированием часто наблюдается неполное, т. е. гетерозиго-ты имеют иной фенотип.

Свойством неполного доминирования обладает ряд генов, вызывающих наследственные аномалии и болезни человека. Например, так наследуются серповидноклеточная анемия (о ней подробнее будет сказано ниже), атаксия Фридрейха, характеризуемая прогрессирующей потерей координации произвольных движений. По типу неполного доминирования наследуется цистинурия. У гомозиготно рецессивным аллелям этого гена в почках образуются цистиновые камни, а у гетерозйгот обнаруживается лишь повышенное содержание цистина в моче. У гомозигот по гену пильгеровой анемии отсутствует сегментация в ядрах лейкоцитов, а у гетерозйгот сегментация есть, но она все же необычная.

Отклонения от ожидаемого расщепления, связанные с летальными генами. В ряде случаев расщепление во втором поколении может отличаться от ожидаемого в связи с тем, что гомозиготы по некоторым генам оказываются нежизнеспособными.

Подобный тип наследования характерен, например, для серых каракульских овец, у которых при скрещивании между собой наблюдается расщепление в соотношении 2:1. Оказалось, что ягнята, гомозиготные по доминантному аллелю серой окраски, гибнут из-за недоразвития пищеварительной системы. У человека аналогично наследуется доминантный ген брахидактилии (укороченные пальцы). Признак проявляется в гетерозиготном состоянии, а у гомозигот этот ген приводит к гибели зародышей на ранних стадиях развития.

Полигибридное скрещивание. Дигпбридное скрещивание как пример полигибридного скрещивания. При полигибридном скрещивании родительские организмы анализируются по нескольким признакам. Примером полигибридного скрещивания может служить дигибридное, при котором у родительских организмов принимаются во внимание отличия по двум парам признаков. Первое поколение гибридов в этом случае оказывается однородным, проявляются только доминантные признаки, причем доминирование не зависит от того, как признаки были распределены между родителями.

Правило независимого комбинирования признаков. Изучая расщепление при дигибридном скрещивании, Мендель обнаружил, что признаки наследуются независимо друг от друга. Эта закономерность, известная как правило независимого комбинирования признаков, формулируется следующим образом: при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся двумя (или более) парами альтернативных признаков, во втором поколении F₂) наблюдается независимое наследование и комбинирование признаков, если гены, определяющие их, расположены в различных гомологичных хромосомах. Это возможно, так как при мейозе распределение (комбинирование) хромосом в половых клетках при их созревании идет независимо, что может привести к появлению потомков, несущих признаки в сочетаниях, не свойственных родительским и прародительским особям.

В более общей форме, при любых скрещиваниях, расщепление по фенотипу происходит по формуле (3 + 1)ⁿ, где п — число пар признаков, принятых во внимание при скрещивании.

Взаимодействие генов: 1) одной аллельной пары (неполное доминир., полное дом., сверхдом., кодом.); 2) разных ал.пар (комплемент.действие, эпистаз, полимерия).

Доминирование проявляется в тех случаях, когда один аллель гена полностью скрывает присутствие другого аллеля. Однако, по-видимому, чаще всего присутствие рецессивного аллеля как-то сказывается, и обычно приходится встречаться с различной степенью неполного доминирования. Это объясняется тем, что доминантный аллель отвечает за активную форму белка-фермента, а рецессивные аллели часто детерминируют те же белки-ферменты, но со сниженной ферментативной активностью. Это явление иреализуется у гетерозиготных форм в виде неполного доминирования.

Сверхдоминирование заключается в том, что у доминантного аллеля в гетерозиготном состоянии иногда отмечается более сильное проявление, чем в гомозиготном состоянии.

Кодоминирование — проявление в гетерозиготном состоянии признаков, детерминируемых обоими аллелями. Например, каждый из ал-лельных генов кодирует определенный белок, и у гетерозиготного организма синтезируются они оба. В таких случаях путем биохимического исследования можно установить гетерозигот-ность без проведения анализирующего скрещивания. Этот метод нашел распространение в медико-генетических консультациях для выявления гетерозиготных носителей генов, обусловливающих болезни обмена. По типу кодо-минирования у человека наследуется четвертая группа крови.

Сложные отношения возникают между неаллельными парами генов.

Комплементарное действие. Комплементарными (лат. complementum — средство пополнения) называются взаимодополняющие гены, когда для формирования признака необходимо наличие нескольких не-аллельных (обычно доминантных) генов. Этот тип наследования в природе широко распространен.

У душистогр горошка окраска венчика цветка обусловлена нал чем двух доминантных генов (А и B ), в отсутствие одного ' из них — цветки белые. Поэтому при скрещивании растений с генотипами ААЬЪ и ааВВ, имеющих белые венчики, в первом поколении растения оказываются окрашенными, а во втором поколении расщепление происходит в соотношении 9 окрашенных к 7 неокрашенным (ЗАbb + ЗааВ + 1 ааbb).

Комплементарное взаимодействие генов у человека можно показать на следующих примерах. Нормальный слух' обусловлен двумя доминантными неаллельными генами Dи Е, из которых один определяет развитие улитки, а другой—слухового нерва. Доминантные гомозиготы и гетерозиготы по обоим генам имеют нормальный слух, рецессивные гомозиготы по одному из этих генов — глухие.

Эпистаз. Взаимодействие генов, противоположное комплементарному, получило название эпистаза. Под эпистазом понимают подавление неаллельным геном действия другого гена, названного гипостатическим.

Проявление эпистаза у человека можно показать на следующем примере. Ген, обусловливающий группы крови по системе Л 60, кодирует не только синтез специфических белков, присущих данной группе крови, но и наличие их в слюне и других секретах. Однако при наличии в гомозиготном состоянии рецессивного гена по другой системе крови — системе Люис выделение их в слюне и других секретах подавлено. Другим примером эпистаза у человека может служить «бомбейский феномен» в наследовании групп крови. Он описан у женщины, получившей от матери аллель 1^В, но фенотипическн имеющей первую группу крови. Оказалось, что деятельность аллеля 1^В подавлена редким рецессивным аллелем гена «х», который в гомозиготном состоянии оказывает эпистатическое действие.

В проявлении ферментопатий (т. е. болезней, связанных с отсутствием каких-либо ферментов) нередко повинно эпистатическое взаимодействие генов, когда наличие или отсутствие продуктов реализации какого-либо гена препятствует образованию жизненно важных ферментов, кодируемых другим геном.

Полимерия. Различные- доминантные неаллельные гены могут оказывать действие на один и тот же признак, усиливая его проявление. Такие гены получили название однозначных, или полимерных, а признаки, ими определяемые,— полигенных. В этом случае два или больше доминантных аллелей в одинаковой степени оказывают влияние на развитие одного и того же признака.

Важная особенность полимерии — суммирование (аддитивность) действия неаллельных генов на развитие количественных признаков. Если при моно-генном наследовании признака возможно три варианта «дозл гена в генотипе: АА, Аа, аа. то при полигенном количество их возрастает до четырех и более. Суммирование «доз» полимерных генов обеспечивает cуществование непрерывных рядов количественных изменений.

Биологическое значение полимерии заключается еще и в том, что определяемые этими генами признаки более стабильны, чем кодируемые одним геном. Организм без полимерных генов был бы крайне неустойчив: любая мутация или рекомбинация приводила бы к резкой изменчивости, а это в большинстве случаев невыгодно.

(15) Независимое комбинирование неаллельных генов. Изучая расщепление при дигибридном скрещивании, Мендель обнаружил, что признаки наследуются независимо друг от друга. Эта закономерность, известная как правило независимого комбинирования признаков, формулируется следующим образом: при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся двумя (или более) парами альтернативных признаков, во втором поколении F₂) наблюдается независимое наследование и комбинирование признаков, если гены, определяющие их, расположены в различных гомологичных хромосомах. Это возможно, так как при мейозе распределение (комбинирование) хромосом в половых клетках при их созревании идет независимо, что может привести к появлению потомков, несущих признаки в сочетаниях, не свойственных родительским и прародительским особям. Вступают в брак дигетерозиготы по окраске глаз и способности лучше владеть правой рукой (АаВb). При формировании гамет аллель А может оказаться в одной гамете как с аллелем В, так и с аллелем b. Точно так же аллель а может попасть в одну гамету либо с аллелем В, либо с аллелем b. Следовательно, у дигетерозиготной особи образуются четыре возможные комбинации генов в гаметах: АВ, Аb, аВ, аb. Всех типов гамет будет поровну (по 25%).

Это несложно объяснить поведением хромосом при мейозе. Негомологичные хромосомы при мейозе могут комбинироваться в любых сочетаниях, поэтому хромосома, несущая аллель А, равновероятно может отойти в гамету как с хромосомой, несущей аллель В так и с хромосомой, несущей аллель b. Точно так же хромосома, несущая аллель а, может комбинироваться как с хромосомой, несущей аллель В, так и с хромосомой, несущей аллель b. Итак, дигетерозиготная особь образует 4 типа гамет. Естественно, что при скрещивании этих гетерозиготных особей любая из четырех типов гамет одного родителя может быть оплодотворена любой из четырех типов гамет, сформированных другим родителем, т. е. возможны 16 комбинаций. Такое же число комбинаций следует ожидать по законам комбинаторики.

При подсчете фенотипов, записанных на решетке Пеннета, оказывается, что из 16 возможных комбинаций во втором поколении в 9 реализуются два доминантных признака (АВ, в нашем примере — кареглазые правши), в 3—первый признак доминантный, второй рецессивный (Аb, в нашем примере — кареглазые левши), еще в 3 — первый признак рецессивный, второй — доминантный (аВ, т. е. голубоглазые правши), а в одной — оба признака рецессивные (аb, в данном случае — голубоглазый левша). Произошло расщепление по фенотипу в соотношении 9:3:3:1.

Если при дигнбридном скрещивании во втором поколении последовательно провести подсчет полученных особей по каждому признаку в отдельности до результат получится такой же, как при моногчбридном скрещивании, т.e. 3: 1.

В нашем примере при расщеплении по окраске глаз получается соотношение: кареглазых 12/16, голубоглазых 4/16, по другому признаку — правшей 12/16, левшей 4/16, т. е. известное соотношение 3:1.

Дигетерозигота образует четыре типа гамет, поэтому при скрещивании с рецессивной гомозиготой наблюдается четыре типа потомков; при этом расщепление как по фенотипу, так и по генотипу происходит в соотношении 1:1:1:1.

При подсчете фенотипов, полученных в этом случае, наблюдается расщепление в соотношении 27: 9: 9: 9::3: 3: 3: 1. Это следствие того, что принятые нами во внимание признаки: способность лучше владеть правой рукой, окраска глаз и резус-фактор контролируются генами, локализованными в разных хромосомах, и вероятность встречи хромосомы, несущей ген А, с хромосомой, несущей ген В или R, зависит полностью от случайности, так как та же хромосома с геном А в равной степени могла встретиться с хромосомой, несущей ген bили r.

(17) Сцепление генов и кроссинговер. Во всех примерах скрещивания, которые приводились выше, имело место независимое комбинирование генов, относящихся к различным аллельным парам. Оно возможно только потому, что рассматриваемые нами гены локализованы в различных парах хромосом. Однако число генов значительно превосходит число хромосом. Следовательно, в каждой хромосоме локализовано много генов, наследующихся совместно. Гены, локализованные в одной хромосоме, называются группой сцепления. Понятно, что у каждого вида организмов число групп сцепления равняется числу пар хромосом, т. е. у дрозофилы их 4, у гороха — 7, у кукурузы — 10, у томата — 12 и т. д.

Следовательно, установленный Менделем принцип независимого наследования и комбинирования признаков проявляется только тогда, когда гены, определяющие эти признаки, находятся в разных парах хромосом (относятся к различным группам сцепления).

Однако оказалось, что гены, находящиеся в одной хромосоме, сцеплены не абсолютно. Во время мейоза, при конъюгации хромосом гомологичные хромосомы обмениваются идентичными участками. Этот процесс получил название кроссинговера, или перекреста. Кроссинговер может произойти в любом участке хромосомы, даже в нескольких местах одной хромосомы. Чем дальше друг от друга расположены локусы в одной хромосоме, тем чаще между ними следует ожидать перекрест и обмен участками.

Обмен участками между гомологичными хромосомами имеет большое значение для эволюции, так как непомерно увеличивает возможности ком-бинативной изменчивости. Вследствие перекреста отбор в процессе эволюции идет не по целым группам сцепления, а по группам генов и даже отдельным генам. Ведь в одной группе сцепления могут находиться гены, кодирующие наряду с адаптивными (приспособительными) и неадаптивные состояния признаков. В результате перекреста «полезные» для организма аллели могут быть отделены от «вредных» и, следовательно, возникнут более выгодные для существования вида генные комбинации — адаптивные.

(18) Наследование, сцепленное с полом. Признаки, наследуемые через половые хромосомы, получили название сцепленных с полом. У человека признаки, наследуемые через X-хромосому, могут быть только у лиц мужского пола, а наследуемые через Х-хромосо-му — у лиц как одного, так и другого пола. Лицо женского пола может быть как гомо-, так и гетерозиготным по генам, локализованным в Х-хромосоме, а рецессивные аллели генов у него проявляются только в гомозиготном состоянии. Поскольку у лиц мужского пола только одна Х-хромосома, все локализованные в ней гены, даже рецессивные, сразу же проявляются в фенотипе. Такой организм называют гемизиготным.