формации и от степени ее реализации. Изменения генотипа

формации и от степени ее реализации. Изменения генотипа или процеди
реализации программы развития приводят к различного рода аномалиям,
Это могут быть врожденные пороки развития разной степени тяжести,
наследственные болезни или болезни с наследственной предрасположи!
ностью. Факторы эволюции в течение длительного времени формировпии
все свойства организмов, в том числе и их ответные реакции на внедре­
ние патогенных агентов. Так, устойчивость к инфекциям и инвазиям
обусловлена иммунитетом, который в свою очередь определяется ни
следственными факторами.
Гены контролируют матричные реакции репликации ДНК и биосинто
за белков в клетке. Белки определяют все свойства клеток, в том число и
их способность взаимодействовать непосредственно или опосредованно
через внутреннюю среду организма. Взаимодействие клеток организма и
конечном итоге определяет его фенотип.
Таким образом, общее состояние организма, его морфо
физиологические характеристики, здоровье и болезнь в каждый данный
момент представляют собой результат взаимодействия генотипа с уело
виями окружающей среды.
Современная генетика — это комплексная наука, которая включает ряд
отдельных дисциплин: общую генетику, генетику микроорганизмов, pm
тений, животных и человека, молекулярную генетику, цитогенетику и др.
Общая генетика изучает организацию наследственного материала и
общие закономерности наследственности и изменчивости, характерны!
для всех уровней организации живого.
Поскольку человек - «продукт» длительной эволюции живой приро
ды, все общебиологические закономерности отражены в формировании
биологического вида «Человек разумный» (Homo sapiens).
Генетика человека изучает явления наследственности и изменчивости
людей на всех уровнях их организации и существования: молекулярном,
клеточном, организменном, популяционном, биохронологическом, биогеохимическом, особенности наследования признаков в норме и измене­
ния их под действием условий окружающей среды.
Задачей медицинской ( клинической) генетики является изучение
механизмов наследственных болезней, разработка методов Их диагно
стики, лечения и профилактики. Решению этих фундаментальных проблем
служат исследования отдельных специальных генетических дисциплин.
Цитогенетика изучает кариотип человека в условиях нормы и патоло
гии. Применение методов дифференциальной окраски хромосом почни
мни iii’Hio их идентифицировать и выявлять геномные и хромосомные
«II I (ИНН
/ чтчника соматических клеток, используя гибридизацию клеток,
•мм....... . основы картирования хромосом человека.
11ннгЬш1М11ИЙ прогресс можно отметить б молекулярной генетике чело­
веки и (учены структура нуклеиновых кислот, белков и ферментов у здорниыч и гюльных людей, первичные дефекты многих генов и аномальные
и*. п|м,п\ ц|i.i; успешно развиваются методы картирования хромосом челоvi нпюпления последовательностей нуклеотидов (секвенирование)
ИНрМйШ.ных и аномальных генов, решаются проблемы генной инженерии.
Минни.I гибридизации нуклеиновых кислот позволили к концу 2000 г.
уншншип. полную последовательность нуклеотидов в геноме человека.
11 р1 пцн|.мцотся работы по окончательному выяснению локализации генов
!i
омах.
Ih i щ ногенетика изучает закономерности наследования антигенной
• in мифичности и генетическую обусловленность иммунных реакций.
Фч/чмкогенетика изучает генетические основы метаболизма лекарстНи*иiiis препаратов в организме человека и механизмы наследственно обу.......
индивидуального реагирования на введение лекарств.
11|« имотм популяционной генетики является изучение частот генов и
iHii.iininii м больших и малых популяциях людей и их изменения под воз|* п *I'M. м мутагенов, дрейфа генов, миграций, естественного отбора. ПоHY'iMHHiiinimi генетика изучает также полиморфизм наследственных приищи'н у человека, обусловливающий широкую вариабельность клинин |и н клргины и исходов одного и того же заболевания у разных людей.
I' \pm и* развитие медицинской генетики в последние десятилетия свяИнн I рн Ши гием науки вообще, запросами клиники и широким распро|ipmii'imiM сети медико-генетических консультаций.
•(щ inжения генетики (в том числе генной инженерии и биотехноло•ми......... илуются в изучении проблем иммунитета и трансплантации орI «пип н Iкамей, в онкологии, при гигиенической оценке состояния окру«>мни11<it среды, определении устойчивости микроорганизмов к лекарстЦММММ препаратам, для получения гормонов, ферментов, лекарств, ле1#мни нпг m-дственных болезней и др.
liiiiiiiiL’ генетики необходимо врачу любой специальности и биологам
профилей для понимания механизмов индивидуального развития и
*|и инрушсиий, природы любого заболевания, рационального подхода к
'linn not I икс, лечению и профилактике болезней.
7
В истории развития генетики как науки выделяют три осн ов н ы х
эта п а :
♦ / этап (1900-1930) - период классической генетики, развитие
менделизма;
♦ I I этап (1930-1953) - разработка и пересмотр ряда положений клас­
сической генетики;
Ф Ilhman (с 1953 г. по настоящее время) - проникновение генетики и
смежные науки, появление новых ее разделов (цитогенетика, молекуляр
ная генетика, медицинская генетика). Сформулирована "централы шм
догма молекулярной биологии", в связи с чем, появилась возможное'!!,
выяснения механизмов ряд,а наследственных болезней обмена вещесги
(альбинизм, гемофилия, фенилкетонурия и др.).
Тема 2. И С Т О Р И Я РАЗВ И ТИ Я ГЕ Н Е Т И К И
flnMvmh'псвский период. Гипотезы о природе наследственности и изМ* ........... it имсказывались еще в глубокой древности, когда человек проНншим (им сознательный отбор растений и животных с наиболее ценН>....ним Iч-(ш качествами и свойствами.
V*H ни.......аследственности человека зарождалось в недрах медицины
ЧМиири'кч ких наблюдений семейных и врожденных болезней. Уже в
(Цуинч I inIIюкрата отмечалась роль наследственности в происхождении
ф|||« tin'll ■■ , эпилепсия, как и другие болезни, развиваются на почве на1И» " 'I'1inик Iи; и действительно, если от флегматика происходит флегM'ihih. cl желчного — желчный, от чахоточного — чахоточный, от стра*»«»• <■" I " I«Н1СЗНЫЮ селезенки - страдающий болезнью селезенки, то что
НпФ1 '| помешать, чтобы болезнь, которою страдают отец или мать, пора..... . тюке одного из их детей». Однако в дальнейшем вопрос о роли
NRIH1II......
в происхождении был забьгг, и на первое место в тео­
ри и i m i /шцимы выдвигались внешние факторы этиологии. Лишь в XVIII■14 ....ич появились отдельные работы о значении наследственности в
М|«н!< южиении болезней (полидактилии, гемофшши, альбинизма).
11. 1 ч!||«1 |hiбота по наследственности и изменчивости датируется XVII
t. 1 1 и |mi и1 1 и Р. Камерариуса о дифференциации пола у растений. В 50-х
•«' ms W i l l п. уже проводятся исследования по гибридизации растений
) Д'И I . т.рейтер).
( )ц|мнеценно можно сказать, что во второй половине XIX века утвер.iii iiii I т.нише о патологической наследственности у человека, которое
.......... ..... ню многими врачебными школами, С пониманием пагологиче• «•"'» "in недственности зародилась концепция о вырождении человечеI.
I" "in п необходимости его улучшения, причем одновременно (1865)
......... . "МО друг от друга ее высказали В.М. Флоринский* (1834-1899) в
h*-< ми и 'I' I мльтон** (1822-1911) в Англии.
* 'Ыоринский —акушер-гинеколог и педиатр. Автор книги «У со iii ■/чиенствование и вырождение человеческого р ода » (1865).
( Основатель первого Сибирского учебного заведения —универсипи та в г. Томске.
* * I \шьтон —один из основоположников генетики человека и ев■гпики. Основные труды в этой области: «наследственный та>штп и характер» (1865), «Наследственный гений: исследование
<’••<> а тонов и следствий» (1869), «Очерки по евгенике» (1909).
9
еннос™ человека в X IX веПредпосылки развития учения о наслс;'.' 1'* оЛ10иионизировавших раз­
ке вытекали их биологических открытии,
щ ^ д д ) и доказательства
витие медицины: клеточной теории (ГеоДОЬ , орМлеНия идеи развития
клеточной преемственности (Рудоль ВиРхоВ' ’ оЛ10ции на ос>юве явлеНия
организмов (онто- и филогенез); объяснения
(Чарльз Дарвин),
естественного отбора и борьбы за с у щ е с т в о м ^ на развитие учения
Не меньшее влияние, чем биологические о г
предпосылки. в
о наследственных болезнях оказали обще
п|аРНым направлением в
X IX веке изучение причин заболеваний ста;
Heftj в том числе и намедицине. Начался период нозологизации о
Нейрофиброматоз,
следственных. Например, описаны болезнь м
№учение пахоЛогичеврожденная дисплазия соединительной ткани
^
форм болезненных
ских симптомов сменилось изучением нозо
g родословных как диспроцессов, которые можно было прослежив»
кретные формы.
наследственных болезнях и
Несмотря на го, что в X IX веке учение _ сггвеНно продвинулось, в
закономерностях наследования че.'ЮЕска су ^^стве работ этого периопелом, еще было много противоречии. В боль
т т л . Критериев прада факты и ошибочные представления были
t^
не существоВало. 1 евильной интерпретации наследования болез
^гот период называли
нетика находилась в «донаучной» аадии разв
доменделевским.
^оиспытатель Г. МенМенделеевский период. В 1865 г. чешсы
с0ртами гороха разрабодель по результатам своих опытов с
роваЛ основные законы re­
ran методы генетического анализа и сформу
поСЛуЖило основой для
нетики. Его учение о наследственных фактор
создания теории гена.
и еЯДеЛем, заложили осноЗаконы наследственности, открытые •
_
вы становления генетики как самостоятельно
История жизни и деятельности Г. ^ емд^ ск0й Моравии, в дере13 начале X IX века, в 1822 год,', в Ав Р
я мальчик. Он был
вушке Ханцендорф, в крестьянской семье [
Иоганном, фамивгорым ребёнком в семье. При рождении ь
не баловали. С детстлия отца бала Мендель. Жилось нелегко, pt ^ ю б т еГо, в особеннова Иоганн привык к крестьянскому труду ”
ъ ему навыки, приобсти садоводство и пчеловодство. Как пригод
обцаружились у мальретённые в детстве. Выдающиеся спосооно
и из деревенской
ника рано. Менделю было 11 лет, когда его
P
10
школы в четырехклассное училище ближайшего городка. Он и там
сразу проявил себя и уже через год оказался в гимназии, в городе Опаие. Платить за учебу и содержать сына родителям было трудно. А тут
ещё обрушилось на семью несчастье: отец тяжело пострадал - ему на
грудь упало бревно. В 1840 Иоганн окончил гимназию и параллельно -школу кандидатов в учителя.
Несмотря на трудности, Мендель продолжает учебу. Теперь уже в
философских классах в городе Оломеуц. Тут учат не только филосо­
фии, но и математике, физике —предметам, без которых Мендель, био­
лог в душе, не мыслил дальнейшей жизни. Биология и математика! В
наши дни это сочетание неразрывно, но в 19 веке казалось нелепым.
Именно Мендель был первым, кто продолжил в биологии широкую
колею для математических методов.
Он продолжает учиться, но жизнь тяжела, и вот настают дни, когда
по собственному признанию Менделя, “ дальше переносить подобное
напряжение не под силу” . И тогда в его жизни наступает переломный
момент: Мендель становится монахом. Он отнюдь не скрывает причин,
толкнувших его на этот шаг. В автобиографии пишет: “ Оказался вы­
нужденным занять положение, освобождающее от забот о пропита­
нии” . Не правда ли, откровенно? И при этом ни слова о религии, боге.
11содолимая тяга к науке, стремление к знаниям, а вовсе не привер­
женность к религиозной доктрине привели Менделя в монастырь. Ему
пополнился 21 год. Постригавшиеся в монахи в знак отрешения от ми­
ра принимали новое имя. Иоганн стал Грегором. Был период, когда его
сделали священником. Совсем недолгий период. Утешать страждущих,
• наряжать в последний путь умирающих. Не очень-то это нравилось
Менделю. И он делает все, чтобы освободиться от неприятных обязан­
ностей.
Иное дело учительство. Мендель преподавал в городской школе, не
имея диплома учителя, и преподавай хорошо. Его бывшие ученики с
теплотой вспоминают о нем — сердечном, благожелательном, умном,
V«леченном своим предметом. Интересно, что Мендель дважды сдавал
пламен на звание учителя и ... дважды проваливался! А ведь он был
ооразованнейшим человеком. Нечего говорить о биологии, классиком
которой Мендель вскоре стал, он был высокоодаренный математик,
очень любил физику и отлично знал её. Провалы на экзаменах не ме~
ниши его преподавательской деятельности. В городском училище Брно
Мспделя-учителя очень ценили. И он преподавал, не имея диплома.
В жизни Менделя были годы, когда он превращался в затвори нм
Но не перед иконами склонял он колена, а,,, перед грядками с горе
хом. С утра и до самого вечера трудился он в маленьком монасчмр
ском садике (35 метров длины и 7 метров ширины). Здесь с 1854 ни
1863 год провел Мендель свои классические опыты, результаты к о т
рых не устарели по сей день. Своим научными успехами Г.Мендошобязан также и необычайно удачным выбором объекта исследовании
Всего в четырёх поколениях гороха он обследовал 20 тысяч потомком
Около 10 лет шли опыты по скрещиванию гороха. Каждую весну Мгп
дель высаживал растения на своем участке. Доклад “ Опыты над р а с т и
тельными гибридами” , который был прочитан брнонским естествот
пытателям в 1865 году, оказался неожиданностью даже для друзей.
Горох был удобен по различным соображениям. Потомство иого
растения обладает рядом чётко различимых признаков - зелёный им и
жёлтый цвет семядолей, гладкие или, напротив, морщинистые семени,
вздутые и л и перетянутые бобы, длинная или короткая стеблевая oi l.
соцветия и так далее. Переходных, половинчатых "смазанных" причин
ков не было. Всякий раз можно было уверенно говорить "да" и пи
"нет", "или - или", иметь дело с альтернативой. А потому и оспаринм i i
выводы Менделя, сомневаться в них не приходилось. И все положении
теории Менделя уже никем не были опровергнуты и по заслугам с там и
частью золотого фонда науки.
Мендель занимался селекционированием гороха, и именно горок у,
научной удаче и строгости опытов Менделя мы обязаны открытом
основных законов наследуемости: закона единообразия гибридов нор
вого поколения, закона расщепления и закона независимого комбиии
рования.
Некоторые исследователи выделяют не три, а два закона Мендели
При этом некоторые ученые объединяют первый и второй законы, счи
тая, что первый закон является частью второго и описывает генотипы
и фенотипы потомков первого поколения (F1). Другие исследован- пи
объединяют в один второй и третий законы, полагая, что «закон ночи
висимого комбинирования» есть, в сущности «закон независимое i и
расщепления», протекающего одновременно по разным парам аллслсИ
Однако в отечественной литературе речь идет о трех законах Мендопи
Г. Мендель не был пионером в области изучения результатов скрч
щивания растений. Такие эксперименты проводились и до него, с mil
лишь разницей, что скрещивались растения разных видов. Потомки
подобного скрещивания (поколение F I) были стерильны, и, следом
12
и-.... . штндотворения и развития гибридов второго поколения (при
ИНН' имии I гчекционных экспериментов второе поколение обозначает* и I 'I in происходило. Другой особенностью доменделевских работ
РЦМи т . что большинство признаков, исследуемых в разных экспери......... но скрещиванию, были сложны как по типу наследования, так
И I* мчи и «рения их фенотипического выражения. Гениальность Мен»*• |" . ..... клалась в том, что в своих экспериментах он не повторил
МНИПнн предшественников. Как писала английская исследовательница
III Л \ 1 р0 ич, «успех работы Менделя по сравнению с исследованиями
f||i ||||*лн| 1 1 чпенников объясняется, тем, что он обладал двумя сущестЦннмнн 1ч1 мсствами, необходимыми для ученого: способностью зада­
нии нрнронс нужный вопрос и способностью правильно истолковы«ии нинч природы». Во-первых, в качестве экспериментальных рас1 ИН111 Mi нцель использовал разные сорта декоративного гороха внут­
ри нмною рода Pisum. Поэтому растения, развившиеся в результате
(Иипннмт скрещивания, были способны к воспроизводству. Во||1 1 |И1 \ и качестве экспериментальных признаков Мендель выбрал
Н||Н1 ни пнчоственные признаки типа «или/или» (например, кожура
|(||1 М1 1 1 1 1 Н1.1 может быть либо гладкой, либо сморщенной), которые, как
№Ннм m i .ни пилось, контролируются одним геном. В-третьих, подлин­
ней МЯЧИ Менделя заключалось в том, что выбранные им признаки
ЯММ|ин1 И|(о|щлись генами, содержавшими истинно доминантные аллеH I II никоиец, интуиция подсказала Менделю, что все категории се­
мей мм"! I нбридных поколений следует точно, вплоть до последней
(Н|МИ1 Н1 Н1.1 . пересчитывать, не ограничиваясь общими угверждениями,
ЫЦМН||\тощими только наиболее характерные результаты (скажем,
" Iо i омяи больше, чем таких-то).
Ми. ц«чп. жепериментировап с 22 разновидностями гороха, отлиНМ*||Н1 мн1 н друг от друга по 7 признакам (цвет, текстура семян и т.д.).
I'tHHi рмОо гу Мендель вел восемь лет, изучил 20 ООО растений гороха.
И * формы гороха, которые он исследовал, были представителями
ни т - пиний; результаты скрещивания таких растений между собой
ЙИМ'Н i4.mii одинаковы. Результаты работы Мендель привел в статье
IMH I , м. горня стала краеугольным камнем генетики. Трудно сказать,
•ш и\ мшает большего восхищения в нем и его работе - строгость
iMHlMHH пин «ксперименгов, четкость изложения результатов, соверiHlHiii" нншнс экспериментального материала или знание работ его
и|**- инн Iчпенников.
13
Великие открытия часто признаются не сразу. Хотя труды Общее i
ва, где была опубликована статья Менделя, поступили в 120 научим1,
библиотек, а Мендель дополнительно разослал 40 оттисков, его рабом
имела лишь один благосклонный отклик — от К. Негели, профессор»
ботаники из Мюнхена. Негели сам занимался гибридизацией, ниш
термин «модификация» и выдвинул умозрительную теорию наеледс i
венности. Однако он усомнился в том, что выявленные на горохе зш.н,
ны имеет всеобщий характер, и посоветовал повторить опыты на дру­
гих видах. Мендель почтительно согласился с этим. Но его попытки
повторить на ястребинке, с которой работал Негели, полученные ми
горохе результаты, оказалась неудачной. Лишь спустя десятилетии
стало ясно почему. Семена у ястребинки образуются партеногенетичо
ски, без участия полового размножения. Наблюдались и другие ih
ключения из принципов Менделя, которые нашли истолкование гори i
до позднее. В этом частично заключается причина холодного приимн
его работы,
Начиная с 1900 г., после практически одновременной публикации
статей трех ботаников — X. Де Фриза, К. Корренса и Э. Чермак и
Зейзенегга, независимо подтвердивших данные Менделя собственны­
ми опытами, произошел мгновенный взрыв признания его работы
1900 считается годом рождения генетики.
Вокруг парадоксальной судьбы открытия и переоткрытия законом
Менделя создан красивый миф о том, что его работа оставалась совсем
неизвестной и на нее лишь случайно и независимо, спустя 35 лег, нм
толкнулись три переоткрьшателя. На самом деле, работа Менделя ци
тировалась около 15 раз в сводке о растительных гибридах 1881 г.. о
ней знали ботаники. Более того, как выяснилось недавно при анаши»
рабочих тетрадей К. Корренса, он еще в 1896 г. читал статью Мендепм
и даже сделал ее реферат, но не понял в то время ее глубинного смыс
ла и забыл.
Стиль проведения опытов и изложения результатов в классическим
статье Менделя делают весьма вероятным предположение, к которому
в 1936г. пришел английский математический статистик и генетик I’ >
Фишер: Мендель сначала интуитивно проник в «душу фактов» и затем
спланировал серию многолетних опытов так, чтобы озарившая m
идея выявилась наилучшим образом. Красота и строгость числовых
соотношений форм при расщеплении (3:1 или 9:3:3:1), гармония, в но
торую удалось уложить хаос фактов в области наследственной измен
чивости, возможность делать предсказания — все это внутренне у0г и.
14
Ми и« Mi м и им во всеобщем характере найденных им на горохе законов.
(IfiMMMMurh убедить научное сообщество. Но эта задача столь же труд­
им 1 ...... . и само открытие. Ведь знание фактов еще не означает их поННМмнни Крупное открытие всегда связано с личностным знанием,
ЙШЫЖишнми красоты и целостности, основанных на интуитивных и
ШмННмнн'Н.имх компонентах. Этот внерациональный вид знания пере­
йми i|ч И1 М людям трудно, ибо с их стороны нужны усилия и такая же
нимнцим
L р I lift I I Мендель закончил эксперименты и в 1865 г. на двух засеимннин l.piioiicKoro общества естествоиспытателей доложил результа­
ты I Miit'll рпботы. В 1866 г. в трудах общества вышла его статья «Опыи • мин |ни штольными гибридами», которая заложила основы генетики
life t'MMHi I mi I елi,ной науки. Это редкий в истории знаний случай, коI I ' цини I iiiii.H знаменует собой рождение новой научной дисципли­
не Ни-ll м\ принято так считать?
......... и но гибридизации растений и изучению наследования при­
никни н потомстве гибридов проводились десятилетия до Менделя в
|и1" "
■ ip.timx и селекционерами, и ботаниками. Были замечены и
..............I... п.! доминирования, расщепления и комбинирования приИ ..... отОснно в опытах французского ботаника Ш. Нодена. Даже
J|ft|iNHii I кроцивая разновидности львиного зева, отличные по струк1 )|И' Цм»||ми, получил во втором поколении соотношение форм, близкое
| |Ми>'| том у менделевскому расщеплению 3:1, но увидел в этом лишь
............. ми игру сил наследственности». Разнообразие взятых в опым им... н форм растений увеличивало количество высказываний, но
ммммниин их обоснованность. Смысл или «душа фактов» (выражение
АН|Н1 Пинкаре) оставались до Менделя туманными.
| м«. * м иные следствия вытекали из семилетней работы Менделя,
IM Н|"|н\ i оставляющей фундамент генетики. Во-первых, он создал
tut 1нн •• принципы описания и исследования гибридов и их потомства
jttfeHi фирмы брать в скрещивание, как вести анализ в первом и втоiiitt инкти иии). Мендель разработал и применил алгебраическую сисtt>Mt I ммнонов и обозначений признаков, что представляло собой важЦ РРНЦШтунльное нововведение. Во-вторых, Мендель сформулироЦН ими hi ионных принципа, или закона наследования признаков в ряН И...."и inifi, позволяющие делать предсказания. Наконец, Мендель в
ИМ«н"И форме высказал идею дискретности и бинарности наеледст«И 1 ин hi дисков: каждый признак контролируется материнской и отIIт. 1 ..И нарой задатков (или генов, как их потом стали называть), ко­
15
торые через родительские половые клетки передаются гибридам и им
куда не исчезают. Задатки признаков не влияют друг на друга, но ри
ходятся при образовании половых клеток и затем свободно комбмии
руются у потомков (законы расщепления и комбинирования прииы
ков). Парность задатков, парность хромосом, двойная спираль ДНК
вот логическое следствие и магистральный путь развития генетики \ Ч
века на основе идей Менделя.
Менделевская теория наследственности, т.е. совокупность ирод
ставлений о наследственных детерминантах и характере их передачи
от родителей к потомкам, по своему смыслу прямо противоположим
доменделевским теориям, в частности теории пангенезиса, предложен
ной Дарвином. В соответствии с этой теорией признаки родители И
прямо, т.е. от всех частей организма, передаются потомству. Поэтому
характер признака потомка должен прямо зависеть от свойств роди i
ля. Это полностью противоречит выводам, сделанным Менделем: до
терминанты наследственности, т.е. гены, присутствуют в оргашпмо
относительно независимо от него самого. Характер признаков (фечт
тип) определяется их случайным сочетанием. Они не модифицируют! и
какими-либо частями организма и находятся в отношениях домишнп
ности-рецессивности. Таким образом, менделевская теория наследи!
венности противостоит идее наследования приобретенных в течет"
индивидуального развития признаков.
Опыты Менделя послужили основой для развития современной 1 1
нетики — науки, изучаю идей два основных свойства организма
ни
следственность и изменчивость. Ему удалось выявить закономерной и
наследования благодаря принципиально новым методическим подни
дам:
1) Мендель удачно выбрал объект исследования;
2) он проводил анализ наследования отдельных признаком и
потомстве скрещиваемых растений, отличающихся по одной, двум и
трем парам контрастных альтернативных признаков. В каждом пики
лении велся учет отдельно по каждой паре этих, признаков;
3) он не просто зафиксировал полученные результаты, но и
провел их математическую обработку.
Перечисленные простые приемы исследования составили принцп
пиально новый, гибридологический метод изучения наследовать
ставший основой дальнейших исследований в генетике.
Название новой науки — генетика (лат. «относящийся к происхож
дению, рождению») — было предложено в 1906 г. английским ученым
!6
II || ........ .. Да мамин В. Иоганнсен в 1909 г. утвердил в биологичеиФ ||нм‘|им уро такие принципиально важные понятия, как ген (греч.
ММш
пн*, происхождение»), генотип и фенотип. На этом этапе
ц*|м|'"н и и. I ики была принята и получила дальнейшее развитие мен||М*-и> 1 hi пи существу умозрительная, концепция гена как материiMMHiiui.i наследственности, ответственной за передачу отдель­
ны* при .......... . ряду поколений организмов.
1
| № ап хн I оипандский ученый Г. де Фриз (1901) выдвинул теорию
BflHHiinH! I и. основанную на представлении о скачкообразности изЙШймН мт иг ik таенных свойств в результате мутаций.
H p a i k i Iими Г.Г. Моргана и его школы в СШ А (А . Стертевант, Г.
И ,,
I I., жджес), выполненными в 1910-1925 гг., была создана
■М И й и •мнам теория наследственности, согласно которой гены явля■
НН« И|и шыми элементами нитевидных структур клеточного ядра
•(ымшнм |>ыяи составлены первые генетические карты хромосом
ЦцйнмнИ мушки, ставшей к тому времени основным объектом генети| Ц|м*м*н омпая теория наследственности прочно опиралась не тольЦ ||н I i n. I мческие данные, но и на наблюдения о поведении хромосом
ЦMtt*M*' 11 меИоэе, о роли ядра в наследственности. Успехи генетики в
МЩщ........ . мере определяются тем, что она опирается на собственMi т а
гибридологический анализ, основы которого заложил
«41,
£
Е
И и, |'иыч днух десятилетиях X X века возникла эйфория от менде" иик-рпретации многих болезней, в результате которой была
Нижно преувеличена роль наследственности в формировании
Мши чсаовека и в наследственной отягощенности населения.
Нинм обреченности и вырождения семей с наследственной пато—‘ “ “ ‘11 Iмни иедущей для объяснения отягощенности общества потом1 чм 1 \ больных. Диагноз наследственной болезни считался при­
ми Iмин,пому и даже его семье. На этом фоне стала набирать силу
|кй
ранее сформулированное Ф.Гальтоном направление (или
||{Ий>|1 м) об улучшении породы (или природы) человека.
||н1 « тчативной евгеникой понимали ту ее часть, которая ставила
и*' т.ю освобождение человечества от лиц с наследственной па­
не и путем насильственной стерилизации. Евгеника, в конечном
i <и|Гма повывала» насильственное ограничение репродуктивной
"in Правильнее считать евгенику не наукой, а социальным или
а ми иным движением.
17
Евгенические идеи необычайно быстро распространились, и 1 мчк ■
чем в 30 странах (С Ш А, Дания, Швеция и др.) приняли форму жесмчг.
законов о принудительной стерилизации лиц, родивших детей с нш
лепсией, олигофренией, шизофренией и др. заболеваниями. В пернпн 1
1907 до 1960 г. в С Ш А было насильственно стерилизовано болсс I<И1
ООО человек, а в Германии за первый год нацистской евгеничгскиИ
программы - 80 ООО человек.
Евгеника - один из примеров «головокружения от успехов». И utt
лом она сыграла отрицательную роль в развитии и генетики, и медики j
биологической науки.
В России, а затем в СССР в 20-х годах X X века функционирошии
евгеническое общество под председательством Н.К. Кольцова ( IN/' i
1940)*. Позиции отечественных евгенистов принципиально отличи
лись от таковых западных гуманностью и научной направленностью
Никаких евгенических законов в нашей стране не только не было мин j
дено, они даже не обсуждались. Термин «евгенческий» был адекпим И
термину «медико-биологический».
* Кольцов — экспериментальный биолог, генетик. Лерпыц
предложил гипотезу (1928) о молекулярном строении и nitim
ричной репродукции хромосом. Организатор и председапи <1
Русского евгенического общества, предложив и обоснован ни
вое направление в медицинской генетике —евфенику - «уч< нн*
о хорошем проявлении наследственных задатков».
Несмотря на помехи, обусловленные евгеническим движении,
генетика человека продолжала развиваться. На основе исполм .....
ния менделизма и хромосомной теории наследственности (фор
мальная генетика) формировалось понимание общих закономерно*!
стей наследственной патологии, причин клинического полимнр
физма, генетической гетерогенности, признание роли внешней I
среды в развитии болезней с наследственным предрасположением
В нашей стране медицинская генетика успешно развивалж i. и
20-30 гг. в первую очередь это относится к основоположнику кии
нической генетики С.Н. Давиденкову (1880-1961)*, одновременно
и генетику и невропатологу. Наряду с огромным вкладом в и »у•(•
ние генетики нервных болезней он на несколько десятилетии ни
ределил разработку общегенетических проблем. Он первым в мир*
сформулировал понятие о генетической гетерогенности наел i и i
венных болезней. Важным этапом в развитии молекулярной генситм
18
Щ И !* ! предположение Н.К. Кольцова (1928) о матричной теории ауто(«ЙЦН'п кции Чромосом, о связи наследственных единиц - генов с конкретitttt «(«шеи 1 1 .им неществом (белковыми радикалами).
• Данидчнков - генетик, невропатолог. Основатель кпиМЫЧеской генетики в СССР. Впервые поставил вопрос о
н%‘о('х<)димости составления каталога генов человека
Организовал медико-генетическую консультацию
По генетике наследственных болезней нервной
темы опубликовал несколько книг: «Наследственные
билеты нервной системы» (1925), «Проблема полиморф ю чи наследственных болезней нервной системы»
{ ШЧ ) , «Эволюционно-генетические проблемы в невропаHtn'h'. ии» (1947).
* I" . 1W27 Г Г . рядом отечественных (Г .А . Надсон, Г.С. ФилипI II \ Рнииопорт) и зарубежных (Г. Меллер, Л. Стадлер) исследоваЙЫКй »К1 пориментально доказана изменчивость генов (мутации)
н си Hi I mu-м факторов окружающей среды (рентгеновские лучи,
i t ..... <>пмты на дрожжах и на растениях заложили основы радиа|..... ..
и учения об искусственном мугагенезе.
•I. I мориков с сотрудниками (1926-1929), объединив положения
н шожоционной теории Ч. Дарвина и, проведя многочислен­
ной.....ниш частот генов в популяциях, стали, по сути, основопоiM“ " популяционной и эволюционной генетики. Дальнейшему
Iни• nos направлений способствовали исследования С. Райта, Р.
, Дм» Холдейна и школ отечественных исследователей Ф.Г.
И'Кон». Д.Д Ромашова, Н.П. Дубинина, Н.В. ТимофееваС'чу ньтйты работ этих авторов позволили сформулировать ос........ женим современной синтетической теории эволюции.
онннммН иклад в развитие мировой и отечественной генетики
►инти 11.11. Вавилов. Им сформулирован закон гомологичных
и и п • .’и пииной изменчивости, показано единство генетики и се||МЛ1 |Ч-| I), собран самый большой генофонд культурных расте|М(МЫШО 250 тыс. экземпляров), хранящихся во Всесоюзном ин11
■11 и ии. модства (Санкт-Петербург).
С
К
R jO Пи 1417 г. медицинская генетика в СССР развивалась в Медиiiiii нч1 1 ком институте, переименованном в 1935 г. в Медико•(♦••» . i nn in) был передоваой институт, проводивший особенно
М|жО|ц ни Они (пецовым и цитогенетическим исследованиям. В 1937
19
г. институт был закрыт, а его директор профессор С.Г. Левит ( И " 1
1937)* репрессирован.
* Левит — директор Медико-биологического (М< •
генетического) института. Руководил работами в разны\ '
ластях генетики человека (цитогенетика, близнецовые ш • н
дования, клиническая генетика, формальная генетика).
В 30-х годах X X века генетика твердо вошла в медицинскую naywj и
практику. Наиболее точно значение генетики для медицины того пертиц
выразил И.П. Павлов в своей речи на могиле сына (1935): «Жизнь триОу
ет всемерного использования открытых Менделем законов наследс i тЧ)
ности. Генетические истины достаточно изучены для того, чтобы unit и
сивно начать применять их. Наши врачи должны как азбуку знать замчиi
наследственности. Воплощение в жизнь научной истины о законна ни
следственное™ поможет избавить человечество от многих скорбей.....
ря».
Ф. Гриффите (1928), О. Эйвери, С.Мак-Леод и М. Мак-Карти (I'M 11 >•
опьггах на микроорганизмах показали, что веществом наследстве пит ш
является не белок, как считали ранее, а ДНК. Проникновение в генсшщ
методов химии и физики определило становление и развитие молоку ни)*
ной генетики.
Гениальная работа Дж. Уотсона, Ф. Крика и М. Уилкинса (1951) ни
расшифровке структуры "нити жизни" - молекулы ДНК - позволили |им
крыть тайну' генетического кода, механизмы биосинтеза полипептидов |
клетке и передачи генетической информации.
Наиболее эффективный период развития генетики человека начати|
50-х годов X X века. В 1959 г. бьша открыта хромосомная природа бошИ1
ней, и цитогенетика на несколько лет стала ведущим направлением II
этот период сформировалась клиническая генетика как результат <тИ
ния трех ветвей генетики человека — цитогенетики, формальной (мои/М
леевской) генетики и биохимической генетики. Человек стал nmnnt “
объектом общегенетических исследований.
Важной исторической вехой в развитии генетики явилось с о зд н и Щ
концепции ("центральная догма молекулярной биологии") пере i ми
генетической информации: Д Н К -> и-РНК -> белок (полипе!пин» I
Тимин и Д. Балтимор (1970) показали возможность обратной переии'Н)
генетической информации с РНК на ДНК с участием фермента oflpm
ной транскриптазы. Эти исследования заложили основы генной ип и Ш
рии, позволяющей конструировать клетки и организмы с новой гене i пт
20
МЙ ШИрйМмпН иугом переноса генетической информации из одного
М Ц М и НИИ И H pyiuM .
N HW тинн • прими генетика тесно связана с цитологией, эмбриологиИЦМН1 - 1 ...... микробиологией, иммунологией, биохимией, биофизиI) ММ" .........имей, медициной, систематикой, селекцией, эволюцион“ *'“1 рЦмним 1»ш изучает и анализирует закономерности наследственМИНН И
н и ........пипс I и на молекулярном, клеточном, организменном и
IHHI.I.II..M уропнях.
Z
м••■
м in |шmuIпн медицинской генетики в СССР относится к 30-м го-
3
и
<....... . ишо главным образом с работами ленинградского невЩ|) I.н . Hkiiiii мнка С.Н. Давидеикова и сотрудников первого в мире
Н Ц м I ипе Ш'и екого института, созданного в Москве профессором С.Г.
Мним
Именно С.Н. Давиденков заложил основы медикоhii-.ii . 1 inин у имирования на примере нервно-психических заболе___I И Himmidи ичкч ическую гетерогенность многих форм наследствен| | | Пинт . .... Hi,какую оценку на международном уровне получили
ЦММи|Ы|. in омедовапия сотрудников Медико-генетического инстий! .......ммим наследования сахарного диабета и мультифакториальЦри-......... . (мшенной и гипертонической болезней и др.). К сожалеI '♦►ч И* * Мир' мппним политика тех времен и в особенности "лысенковИ»ПН1 ни многие годы затормозили прогрессивное развитие в
\т Цмнншн к и й генетики, и лишь в 50-е годы благодаря новому по■ 1 1 . и, ци ни (П.П. Дубинин, Н.В. Тимофеев-Ресовский, И.А. РапИ 11 'фрппмеон, А.А. Прокофьева-Бельговская, Н.П. Бочков)
• кии I«<нстпка в нашей стране получила стимул для дальнейшего
Шп| юному внедрению методов медицинской генетики в пракИкпичринения способствовал созданный в Москве (1969) по иниикнм, мини Н.П. Бочкова Институт медицинской генетики АкаI .................... кич наук СССР.
I ■
т а способствовали интенсивному развитию медицин1 ..........
.......... . шорой половине X X века.
in,iv (шшодаря снижению уровня инфекционных и алиментарIII» Щ*1||ЦII.mud после второй мировой войны больше внимания и фиH|}M>-.iiMit! I. болезням эндогенной природы, в том числе и наследст• lf*|n i прогресс лабораторной и инструментальной медицины,
* nil
»1 tlin
.им. и ни|||ормацией обеспечили более точную нозологизацию
I,.I1*1111.
Mi
II f l i пи* ш е й .
21
В-третьих, прогресс общей генетики и биологии принципиальна и >
нил методологи. Генетического изучения человека (генетика сомним
ских клеток).
Главным итогом медицинской генетики к концу X X века стал»...... .
ние генетических технологий для медицины, которые позволяю! \■к
ренно решать трудные вопросы в медицине и здравоохранении (тайн 11
Таблиц» I
Генетические технологии в медицине и здравоохрат-i....
~
' '
1
" пРешаемые
_________________
вопросы
Область медицины
Углубление
«инвентаризации»
боле ик К нй
Теоретическая
нозологическому принципу
Расшифровка патогенеза болезней
Причины клинического полиморфизм»
Причины хронического течения боле ин И
Клиническая
Фармакокинетика________________
Диагностика наследственных болезней
Патогенетическое лечение наследственны!
болезней
Генотерапия наследственных, виру*и м и I
онкологических заболеваний
Производство лекарств на основе iviiih i)
Профилактическая
инженерия
Профилактика наследственных боле tin II
Г енетико-гигиеническое
нормир* пиши
факторов окружающей среды
Предупреждение мутагенных, терян ими
ных и канцерогенных эффектов
22
I . ми Л. О Р Г А Н И З А Ц И И П О Т О К А В Е Щ Е С Т В А И
) Н КРГИ И В К Л Е ТК Е
*ми Н|н in гнмляет собой основную структурно-функциональную
||Pf ****** I иую единицу живого. В ней (в ядре и цитоплазме) со■
•• * in н I пиитическая информация любого организма. По||нм*ш' чем изучать непосредственно генетику, необходимо
«#«•>• •• 1 шиовами строения и функционирования клетки.
Клеточная теория
.... . • Г Гук, рассматривая под микроскопом срез пробки де.....т «пп пустые ячейки, которые он назвал «клетками». Он
оболочки растительных клеток, и длительное время
)»Н I -..и ииисI. основным структурным компонентом клетки. В
И Пуркине описал протоплазму клеток, а в 1831 г. Р.
мир" II 1837 г. М. Шлейден пришел к заключению, что
lMHi.mii организмы состоят из клеток, и каждая клетка соФ"
Минимум накопившиеся к этому времени данные, Т.
in и in I1) I сформулировал основные положения клеточной
».** **..* иинистся основной структурной единицей растений и
ними I иНразования клеток обусловливает рост, развитие и
|ИИИ|нн1 ку организмов.
H i Г Пнрхов - основоположник патологической анатомии мно пешую теорию важным положением, что клетка моHi они п. только от клетки (Omnis cellula е cellula) в резульймннши. Он установил, что в основе всех заболеваний лежат
ним I *|i.vn гуры и функции клеток.
tPHiiiiii кнеточная т еория включает следую щ ие п ол о ж е н и я :
Itnitu*
основная структурно-функциональная и генетиче..........ииных организмов, наименьшая единица живого;
mmi т е х одноклеточных и многоклеточных организмов
1 1 *н I 1 |ни пию, химическому составу и важнейшим проявлени|| пи жизнедеятельности;
►• * • ••• пиная клетка образуется в результате деления исходИ *си т мой)клетки;
■пт ..... оклеточных организмов специализированы: они выполI (.и .м. |. фу икции и образуют ткани;
flli'ii.ii иммнется открытой системой, через которую проходят и
23
\
преобразуются потоки вещества, энергии и информации
Н еклеточные формы жизни
Большинство живых существ на Земле состоит из клеток (одной или
множества). Однако имеются и неклеточные формы жизни — вирусы и
бактериофаги.
Вирусы состоят из белковой капсулы (капсида) и заключенной в ней
нуклеиновой кислоты (рис. 1). Размеры их колеблются от 20 до 300 нм.
ш.пывают заболевания у растений, животных и человека (грипп, оспа,
I скатит и др.).
Бактериофаги - это вирусы, паразитирующие на бактериях.
Клеточные формы жизни
С возникновением клетки живые системы приобретают способность к
■пмостоятельному обмену веществ и размножению. Усложнение их оришизации сопровождается появлением сначала клеточной, а затем и
идорной мембраны и увеличением молекулярной массы ДНК. Клетки
подразделяются на прокариотические и эукариотические. Отличия между
ними указаны в таблице 2.
Таблица 2. Отличительные и сходные признаки про- и эукариотиче­
ских клеток
Признак
Прокариоты
Эукариоты
I [итоплазматическая мембрана
Есть
Есть
к по точная стенка
Есть
У животных нет;
у растений есть
Чдро
Нет
Есть
Хромосомы
Митохондрии
Нуклеоид (кольцевая молекула ДНК)
Нет
Есть (ДНК + бе______ лок)______
Есть
Нет
Есть
Komi шекс Г ольджи
Рисунок 1. Схема строения бактериофага: 1 - ДНК; 2 - белок (капсид); 3
- головка; 4 -хвост; 5 - хвостовые нити; б - чехол (спиральный бе­
Нщоплазматическая сеть
Нет
Есть
лок); 7 - полая сердцевина
Пнюсомы
Нет
Есть
Рибосомы
Есть
Есть
Мпосомы
Есть
Нет
Прямое бинарное
Митоз, амитоз
Генетический материал вируса представлен одной м олекулой
нуклеиновой кислоты (ДНК. или РНК), не связанной с белками. Моле­
кулярная масса ДНК (РНК) вирусов варьирует ог 3-10б до 5-10б. Нуклеино­
вая кислота вирусов может быть одно- или двухцепочечной (кольцевой или
линейной формы). После попадания в клетку хозяина нуклеиновая кисло­
та вируса, используя ферментные системы самой клетки, начинает реп­
лицироваться, синтезировать специфические белки и образует новые ви­
русные частицы. Некоторые латентные вирусы могут встраивать свою
нуклеиновую кислоту в Д Н К клеток, где она сохраняется длительное
время и изменяет свойства клеток. Все вирусы являются паразитами и
24
Прокариоты являются одноклеточными доядерными организмами. К
ним относятся бактерии, цианобактерии и микоплазмы. Бактерии име■ I разнообразную форму, размеры их тела колеблются от.1 до 5 мкм.
| поточная стенка бактерий состоит из элементарной мембраны, которая
•"■крыта преимущественно слоем полисахаридов (муреин). Некоторые
мндм бактерий имеют слизистую капсулу. В цитоплазме прокариот имеют't /’иГюсомы, сходные по строению и функциям с рибосомами эукариот, но
25
меньших размеров. Мембрана клетки образует мезосомы (впячивания),
выполняющие функции мембранных органоидов (рис. 2).
2) элементарная биологическая мембрана или их комплекс;
3) подмембранный опорно-сократительный комплекс гиалоплазмы;
<1) анаболическая и катаболическая системы.
Основной компонент этого аппарата - элементарная мембрана.
Клетка содержит различные типы мембран, но принцип их строе­
ния одинаков.
11ервые представления о структуре элементарной мембраны были
пины Н. Даусоном и Р. Даниеллем (3943). Они описали «бутерброд­
н у ю » (сэндвич) модель мембраны. По их представлениям основу ее
1 1 1Cгавляют два слоя липидных молекул, расположенных гидрофоб­
ны м и концами друг к другу, а гидрофильными - наружу. Поверх
(ишипидного слоя располагаются сплошные слои белковых молекул.
<'чицко эта модель не позволяет объяснить многие свойства и функ­
ции мембраны.
Рисунок 2. Схема строения бактериальной клетки: 1 - плазмида; 2 клеточная стенка; 3 - мезосома; 4 - рибосома; 5 - вакуоль; б - жгутик; 7-
В 1972 году С. Сингером и Г. Николсоном была предложена жидми пю-мозаичная модель строения элементарной мембраны. Согласно
noli модели ее основу также составляет билипидный слой, но белки
ни отношению к этому слою располагаются по-разному. Часть белкоИМК молекул лежит на поверхности липидных слоев (периферические
Пилки), часть пронизывает один слой липидов (полуинтегральные
шеи), а часть пронизывает оба слоя липидов (интегральные белки).
'Ьшидный слой находится в жидкой фазе («липидное море»). На на­
ружной поверхности мембран имеется рецепторный аппарат - глико>•пинке, образованный разветвленными молекулами гликопротеини и , «узнающ ий» определенные вещества и структуры.
Свойства мембран: 1) пластичность, 2) полупроницаемость, 3)
■и о с о б н о е т ь самозамыкаться.
нуклеоид; 8 - мембрана
Наследственный аппарат прокариотических клеток представлен од­
ной молекулой ДНК, связанной с небольшим количеством белков и
имеющей кольцевую форму, расположенную в цитоплазме, - нуклгоид.
ДНК прокариот часто называют хромосомой, хотя структурно она суще­
ственно отличается от хромосом эукариот. Прокариоты содержат л'олько
одну хромосому и являются гаплоидами. Молекулярная масса ДНК про­
кариот, составляет 2,5-109 + 0,5-109, что соответствует примерно 2000
структурных генов. В цитоплазме бактерий могут содержаться мелкие
молекулы ДНК (плазмиды).
Микоплазмы отличаются от бактерий отсутствием клеточной
стенки. Их размеры колеблются от 0,1 до 0,25 мкм. Большинство мико­
плазм - симбионты и факультативные паразиты человека, животных и
растений.
Эукариотические клетей имеют оболочку, цитоплазму с органоидами и
оформленное ядро.
Строение и функции цитоплазматической мембраны.
Клетка представляет собой открытую саморегулирующуюся сис­
тему, через которую постоянно идет поток вещества, энергии и ин­
формации. Эти потоки принимает специальны й аппарат клетки, в
который входят:
1) надмембранный компонент - гликокаликс;
26
Функции мембран: 1) структурная - мембрана как структурный
■ 'мпонент входит в состав большинства органоидов (мембранный
принцип структуры органоидов); 2) барьерная и регуляторная нппдсрживает постоянство химического состава и регулирует все об­
манные процессы (реакции обмена веществ протекают на мембранах);
11 шщитная; 4) рецепторная.
Транспорт веществ в клетку
Плазмолемма включает комплекс элементарных мембран: 1-3 у
m i нотной клетки, до 8 -- у растительной. Через плазмолемму происициг поступление веществ в клетку. Механизмы мембранного
' (irtin;порта различны.
27
Пассивный транспорт идет по градиенту концентрации и не тре­
бует затрат энергии. Это может быть фильтрация или диффузия (во­
да и мелкие молекулы), поступление через поры, путем растворения
в липидах и облегченная диффузия посредством белков-переносчиков пермеаз (аминокислоты, сахара, жирные кислоты).
Активный транспорт идет против градиента концентрации, с за­
тратой энергии, Для него необходимо наличие специальных ионных
каналов, ферментов и А ТФ . Так работает натрий-калиевый насос.
Концентрация калия в клетке выше, чем в околоклеточном простран­
стве, и, тем не менее, ионы калия поступают в клетку.
Цитоз связан с обратимыми изменениями архитектоники мем­
браны. Эндоцитоз - захват мембраной клетки макромолекул или час­
тиц. Мембрана образует выпячивания, которые окружают частицу,
и замыкаются вокруг нее. Таким образом, частица оказывается в
цитоплазме в составе эндосомы. Мембрана может захватывать твер­
дые частицы (фагоцитоз) или капли жидкости (пиноцитоз). Выде­
ление из клетки веществ, заключенных в мембрану, называется экзоцитозом.
Поступившие в клетку вещества могут использоваться:
1) в анаболической системе - для синтеза соединений, необхо­
димых самой клетке или секретируемых ею;
2) в катаболической системе - как источник энергии.
Анаболическая система осуществляет реакции пластического об­
мена, или ассимиляции; катаболическая система - реакции энергети­
ческого обмена, или диссимиляции. Эти системы связаны неразрыв­
но как ассимиляция и диссимиляция. Все процессы жизнедеятельно­
сти клетки немыслимы без участия А ТФ , синтез которой в свою оче­
редь невозможен без ферментов, образуемых в анаболической системе.
В такой же тесной связи находятся потоки веществ и энергии в
клетке, так как гетеротрофные клетки способны использовать только
энергию, заключенную в сложных органических соединениях.
Анаболическая система клетки.
К анаболической системе клетки относятся: рибосомы, эндоплазматическая сеть и комплекс Гольджи.
Рибосомы представляют собой сферические тельца диаметром
15— 35 нм, которые состоят из двух субъединиц: малой и большой.
Располагаются они либо свободно в цитоплазме, либо на наружной
поверхности мембран эндоплазматическои сети и на наружной
28
идсрной мембране. Они на 40 % состоят из рибосомальной РНК (р1'НК) и на 60 % — из белков. Субъединицы рибосом образуются в
чцрышке. Информация о структуре р-РНК и белках рибосом зако­
дирована в «ядрышковых организаторах» — участках молекулы
ДНК в области вторичных перетяжек спутничных хромосом. Рибо|омы содержат некоторые органоиды клетки (митохондрии, хлороилисты), способные синтезировать специфичные белки. Функции рибоI им: принимают непосредственное участие в синтезе белка.
Эндоплазматическая сеть (ЭГ1С) представлена каналами, прониммающими всю цитоплазму клетки, соединяющимися с перинуклии|IIIим пространством и с полостями комплекса Гольджи. Стенки ка­
нтов образованы элементарной'мембраной. Если на наружной поиирхности мембран каналов располагаются рибосомы, ЭПС назынпстся гранулярной, если рибосом на мембранах нет - агрануляр*1**11 , Функции ЭПС: 1) биосинтез белков (гранулярная ЭПС), жиров и уг|'вводов (агранулярная Э П С); 2) компартментализация цитоплазмы клетки
(ривделение на отсеки); 3) участие в образовании мембран; 4) образование
щроксисом; 5) транспортировка всех веществ в клетке.
Комплекс Гольджи представлен системой дактиосом. Каждая дикгаосомп - тго стопка из 1-15 элементарных мембран, образующих замкнутые
■ |милы, толщиной 20-40 нм, расширяющиеся на концах в цистерны. От
*нитерн отделяются пузырьки, которые образуют лизосомы и вакуоли.
Функции комплекса Гольджи:
1) сортировка и упаковка синтезированных в ЭПС веществ;
2) образование комплексных соединений (гликопротеииов, липопрошинов и др.);
I) образование лизосом и глиоксисом;
I) секреция веществ;
S) участие в образовании клеточной стенки (при митозе).
Катаболическая система клетки.
К катаболической системе клетки относятся: лизосомы, микротельца
I III (кжсисомы, глиоксисомы) и митохондрии.
Первичные лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Они пред• подлог собой мелкие (0,2-1 мкм) округлые тельца, покрытые элементар­
ной мембраной и содержащие до 30-ти различных гидролитических фер­
ментов. При поступлении в цитоплазму эндосом происходит их слияние с
наивными лизосомами, ферменты которых активируются и образуют
фигосомы (вторичные лизосомы). в них расщепляются сложные органи­
29
ческие соединения до более простых (белков до аминокислот и т.д.). Вто­
ричные лизосомы, в которых не завершен процесс переваривания, назы­
ваются остаточными тельцами. В пероксисомах окисляются аминокисло
ты с образованием перекиси водорода (Н 20 2), которая участвует во многих
обменных реакциях, в том числе и в неспецифической защите клетки oi
паразитов. Пероксисомы образуются эндоплазматической сеггью. В глиок
сисомах жиры превращаются в углеводы. Они образуются в комплекса
Гольджи.
Митохондрия имеет две мембраны — наружную и внутреннюю
Внутренняя мембрана образует впячивания в полость митохондрии
которые называются кристами. На кристах митохондрий расположены
сферические тельца на ножках — АТФ-сомы. Между кристами нахо
дится внутренний матрикс, который содержит автономную систем)'
биосинтеза белка (кольцевые молекулы ДНК и рибосомы). Наружный
матрикс находится между наружной и внутренней мембранами.
Основные функции митохондрий: синтез АТФ , специфических бел*
ков и стероидных гормонов.
Энергетический обмен, или диссимиляция, включает три этапа:
I - Подготовительный;
II - Бескислородный (анаэробный, гликолиз);
III - Кислородный.
Первичным источником энергии на Земле является Солнце. Его
световая энергия аккумулируется зелеными растениями в процессе фо
тосинтеза в химических связях сложных органических соединений,
Гетеротрофные организмы способны усваивать только этот вид энер­
гии.
Подготовительный этап протекает в пищеварительной системе ор­
ганизмов и в лизосомах клеток и заключается в том, что сложные ор­
ганические соединения расщепляются до более простых: белки до
аминокислот, полисахариды до моносахаридов, жиры до глицерина и
жирных кислот. Высвобождающаяся энергия рассеивается в виде теп­
( >П|шювавшаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота,
mi ииняется с коферментом А й в таком виде (Ацетил К оА) поступает
и митрикс митохондрий.
Митохондрии содержат 3 группы ферментов: цикла Кребса (внут...... нМ матрикс), тканевого дыхания (кристы) и окислительного фосфмрнлирования (АТФ-сомы). Ацетил Ко А поступает в цикл Кребса,
ферменты которого (дегидрогеназы) постепенно отщепляют от его моЯПуны атомы водорода, образуя в итоге диоксид углерода. Диоксид
VI Ш'рода выделяется из митохондрии. Атомы водорода расщепляются
НИ протоны и электроны, которые поступают в систему ферментов
Ммнсмого дыхания, где в процессе перехода в электронтранспортной
мини (электронный каскад) накапливаются по разные стороны мембран
(прогоны - на наружной, а электроны - на внутренней поверхности).
11ри достижении критического потенциала (около 200 мВ) протоны
приходят через специальные каналы в АТФ-сомах, содержащие ферм*>мI i.i окислительного фосфорилирования. В этот момент электроны
•и мают свою энергию для присоединения остатков фосфорной кислоты
►АМФ с образованием А Д Ф и к А Д Ф с образованием АТФ. Электро­
ны, отдавшие энергию, соединяются с протонами, образуя атомы во•|м|юдв. Водород, соединяясь с кислородом, образует воду. Таким обни юм, конечным акцептором электронов является кислород.
11ри аэробном расщеплении одной молекулы глюкозы образуется
". молекул А Т Ф и две молекулы — при анаэробном, всего 38 молекул
I •!», Коэффициент полезного действия митохондрий достигает 60% .
•иергия синтезированной в процессе энергетического обмена А Т Ф
.и пользуется:
I ) для биосинтеза веществ (до 50%);
.’ ) для транспортировки веществ (30-40%);
I ) для механической работы (сокращения мышц);
■I) для деления клеток;
S) рассеивается в виде тепла.
ла.
Анаэробный этап протекает в цитоплазме клеток. При гликолизе
моносахариды, аминокислоты и жирные кислоты распадаются до пировиноградной или молочной кислот. При анаэробном расщеплении I
молекулы глюкозы образуется 2 молекулы А ТФ . В гликолизе участву­
ет 1- ферментов цитоплазмы.
Аэробный этапа энергетическогообмена протекает в митохондриях.
30
31
Тема 4. С Т Р У К Т У Р А И Ф У Н К Ц И И К Л Е Т О Ч Н О Г О Я Д Р А .
Генетическая информация, которую передает одно поколение кле­
ток или организмов другому, заключена преимущественно в ядре клетки.
Ядро является обязательным структурным компонентом каждой эука­
риотической клетки.
Ядерная оболочка (кариолемма) интерфазного ядра состоит из двух
элементарных мембран (наружной и внутренней), пространство между
которыми называется перинуклеарным. Мембраны ядра имеют поровый комплекс. Через них идет обмен веществ между ядром и цитоплаз­
мой, регуляция которого и является основной функцией ящерной оболоч­
ки. Наружная ядерная мембрана мож ет переходить в стенки
каналов эндоплазматической сети. На наружной ядерной мембране
располагаются рибосомы. Внутренняя ядерная мембрана выстлана
специальными белками (ламин и др.), которые образуют ядерную пла­
стинку, обеспечивающую закрепление структур ядра (рис. 3).
Рисунок 3. Схема строения интерфазного ядра: I — наружная мембра­
на, 2 — внутренняя мембрана, 3 — перинуклеарное пространство, 4 —
пора, В — ядрышко, 6 —- ядерный сон, 7 — рибосома, 8 — глыбка
хроматина
Ядерный сок (кариолимфа) - однородный коллоидный раствор, запол­
няющий пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышка­
ми). Он содержит воду, белки, нуклеотиды, А ТФ , различные виды РНК,
минеральные соли. Все здерные белки синтезируются в цитоплазме и
затем поступают в ядро. Кариолимфа осуществляет взаимосвязь ядерных
структур и цитоплазмы клетки.
Хромагин - представляет собой дезоксирибонуклеопротеин (ДН П) - ком­
плекс ДНК и гистоновых белков в соотношении 1:1,3. Под световым
микроскопом он выявляется и виде тонких нитей, глыбок, гранул. В про­
цессе митоза, спирализуясь, хроматин образует хорошо видимые, интен-
32
t шиш окрашиващиеся структуры - хромосомы. Морфологически раз­
личают гетерохроматин и эухроматин. Эухроматин менее конЩНОИрован, чем гетерохроматин, и соответствует участкам хромосом, с
Которых идет считывание информации (транскрипция).
Белки ядра подразделяют на гистоновые и негистоновые. Тистоны Небольшие сильно основные молекулы белков. Они принимают непо­
средственное участие в упаковке молекулы ДНК, нейтрализуя отрицаЮлино заряженные фосфатные группы ДНК своими положительно за­
ниженными аминокислотными остатками. К группе негистоновых белков
ЦКосятся структурные ядерные белки, многие ферменты и факторы
1|мкскрипции, связанные с определенными участками ДНК и осуществ■мшщие регуляцию генной активности.
Ядрышки - образования шаровидной формы (одно или несколько), со• ' нищие из белков и РНК (в соотношении примерно 1:1), липидов, фер­
ментов. Они не имеют мембраны. Ядрышки фрагментируются в начале
цмония клетки и восстанавливаются после его окончания. Образование
ЧДрышек связано с вторичными перетяжками спутничных хромосом (я д­
рышковые организаторы). В области вторичных перетяжек локализованы
. кодирующие синтез рибосомальной РНК (р-РНК), а в самих яд­
рышках происходит формирование субъединиц рибосом, которые затем
н1.1 чодят в цитоплазму через поры в ядерной оболочке.
О с н о в н ы е ф ун к ц и и к л е т о ч н о г о я д р а :
♦ хранение и передача генетической информации;
♦ регуляция всех процессов жизнедеятельности клетки.
Характеристика, строение и классификация хромосом
Метафазная хромосома состоит из двух продольных нитей ДНП
*/>iиштид, соединенных друг с другом в области первичной перетяжки
'г итромера). Центромера делит тело хромосомы на два плеча. В зависиик ги от расположения центромеры различают следующие типы хромо•нм: акроцентрические - центромера значительно смещена к одному кон■и |*>мосомы, в результате чего одно плечо очень короткое; субметаценчушческие - центромера умеренно смещена от середины хромосомы и плен| имеют разную длину; метацентрические - центромера расположена
ии. средине и плечи примерно одинаковой длины (рис. 4).
33
а
6
е •
Рисунок 4. Схема строения метафазной хромосомы (а) и типы хромосом
(б): а: 1 - хроматиды; 2 - спутник; 3 — . вторичная перетяжка; 4 - цен­
тромера; 5 - плечо; 6 - теломеры; б : 7 - метацентрическая; 8- субметацентрическая, 9- акроцентрическая
Участок каждого плеча вблизи центромеры называется проксималь
ным, удаленный от нее - дистальным. Концевые отделы дистальных уча­
стков называются теломерами. Теломеры препятствуют соединению кон­
цевых участков хромосом. Потеря этих участков может сопровождаться
хромосомными перестройками. Некоторые хромосомы имеют вторичные
перетяжки, отделяющие от тела хромосомы участок, называемый спутни
ком (спутничные хромосомы).
Правила постоянства числа, парности, индивидуальности и не­
прерывности хромосом
Существует 4 правила хромосом.
Правило постоянства числа хромосом. Соматические клетки организма
каждого вида в норме имеют строго определенное число хромосом (напри
Классификация хромосом человека
Совокупность хромосом соматической клетки, характеризующая ор11Ш И ЗМ данного вида, называется кариотипом. Хромосомы подразде|| ШОТ на аутосомы (одинаковые у обоих полов) и гетерохромосомы, или
половые хромосомы (разный набор у мужских и женских особей). На­
пример, кариотип человека содержит 22 пары аутосом и две половые
чромосомы —X X у женщины и Х У у мужчины (44+ХХ и 44+XY соответстмонно). Соматические клетки организмов содержат диплоидный (двой­
ной) набор хромосом, а гаметы— гаплоидный (одинарный)
Идиограмма — это систематизированный кариотип, в котором хромосо­
мы располагаются по мере уменьшения их размеров. Точно расположить
чромосомы по размеру удается далеко не всегда, так как некоторые пары
чромосом имеют близкие размеры. Поэтому в 1960 г. была предложена
Игкпсрская классификация хромосом, которая помимо размеров учитыва’ | форму хромосом, положение центромеры и наличие вторичных пере|«т*к и спутников. Согласно этой классификации, 23 пары хромосом
человека разбили на 7 групп - от А до G. Важным признаком, облегчннпцим классификацию, является центромерный индекс (ЦИ ), который
итражает отношение (в процентах) длины короткого плеча к длине всей
■фоВрсомы.
Рисссмотрим группы хромосом.
I 'ругта-4 (хромосомы 1-3). Это большие, метацентрические и субмен|центрические хромосомы, их центромерный индекс-от 38 до 49.
11срвая пара хромосом - самые большие метацентрические (ЦИ 48-49), в
ч|минимальной части длинного плеча вблизи центромеры может бьггь
и 1 1 1рнчная перетяжка.
Мторая пара хромосом - самые большие субметаценгрические (ЦИ 3840).
I
регья пара хромосом на 20% короче первой, хромосомы субмета(ЦИ 45-46), легко идентифицируются.
мер, у человека - 46, у дрозофилы - 8).
Правило парности хромосом, Каждая хромосома в диплоидном набор
имеет гомологичную - сходную по размерам, расположению центромеры и
И1 шрнческие
содержанию генов.
Правило индивидуальности хромосом. Каждая пара хромосом отличает
ся от другой пары размерами, расположением центромеры и содержанием
•ибой при обычном окрашивании. Распределение R- и G-сегментов (см.
•(Hike) у них различное.
генов.
Правило непрерывности хромосом. В процессе удвоения генетичс
ского материала новая молекула Д Н К синтезируется на основе ич
формации старой молекулы Д Н К (реакция матричного синтеза - ка
ждая хромосома происходит от хромосомы).
34
Группа В (хромосомы 4 и 5). Это большие субметацентрические
чромосомы, их центромерный индекс 24-30. Они не различаются между
г руппа С ('х р о м о с о м ы 6-12). Хромосомы с р е д н е г о размера, субмета" шрические, их центромерный индекс 27—-35. В 9-й хромосоме часто
‘нмруживается вторичная перетяжка. К этой группе относят и X•ромосому. Все хромосомы данной группы можно идентифицировать с
ммпщмо Q- и G-окрашивания.
35
Группа D (хромосомы 13- 15). Хромосомы акроцентрические, сильно
отличаются от всех других хромосом человека, их центромерный индекс
около 15. Все три пары имеют спутники. Длинные плечи этих хромосом
различаются по Q- и G-сегменгам.
Группа F (хромосомы 16-18). Хромосомы относительно короткие, метацентрические или субметацентрические, их центромерный индекс от
26 до 40 (хромосома 16 имеет ЦИ около 40, хромосома 17- ЦИ 34,
хромосома 18 - ЦИ 26). В длинном плече 16-й хромосомы в 10% случа­
ев выявляется вторичная перетяжка.
Г руппа F (хромосомы 19 и 20). Хромосомы короткие, субметацен­
трические, их центромерный индекс 36-46. При обычном окрашивании
они выглядят одинаковыми, а при дифференциальном - хорошо различи­
мы.
Группа G (хромосомы 21 и 22Y Хромосомы маленькие, акроцентри­
ческие, их центромерный индекс 13-33. К этой группе относят и Ухромосому. Они легко различимы при дифференциальном окрашивании.
В основе Парижской классификации хромосом человека (1971)
лежат методы специального дифференциального их окрашивания, при
которых в каждой хромосоме выявляется характерный только для нее
порядок чередования поперечных светлых и темных сегментов (рис. 5).
Различные типы сегментов обозначают по методам, с помощью кото­
рых они выявляются наиболее четко. Например, Q -сегменты - это участки
хромосом, флюоресцирующие после окрашивания акрихин-ипритом; Gсегменты выявляются при окрашивании красителем Гимза (Q- и Gсегменты идентичны); R-сегменты окрашиваются после контролируемой
тепловой денатурации и т. д. Данные методы позволяют четко дифферен­
цировать хромосомы человека внутри групп.
Короткое плечо хромосом обозначают латинской буквой р, а длинное q. Каждое плечо хромосомы разделяют на районы, нумеруемые от цен­
тромеры к теломерам. В некоторых коротких плечах выделяют один та­
кой район, а в других (длинных) - до четырех. Полосы внутри районов
нумеруются по порядку от центромеры. Если локализация гена точно из­
вестна, для ее обозначения используют индекс полосы. Например, лока­
лизация гена, кодирующего эстеразу D, обозначается 13с|14, т. е. четвер­
тая полоса первого района короткого плеча тринадцатой хромосомы. Ло­
кализация генов не всегда известна с точностью до полосы. Так, местопо­
ложение гена ретинобластомы обозначают I3q, что означает локализацию
его в длинном плече тринадцатой хромосомы.
36
13
14
*5
1$
,
11
18
Рисунок. 5. Парижская классификация хромосом человека
< Ровны е функции хромосом состоят в хранении, воспроизведении и
•• |«-»иче генетической информации при размножении клеток и организ-
Т ем а 5. Р А З М Н О Ж Е Н И Е Н А К Л Е Т О Ч Н О М И
]
О РГА Н И ЗМ ЕН Н О М У РО ВН Е
Основные способы размножения
Размножение - универсальное свойство живого, заключающееся в
воспроизведении себе подобных. В основе размножения лежит передача
генетической информации от одного поколения клеток или организмов к
другому. Различают несколько способов деления клеток (рис. 6 ).
Рисунок 6. Схема способов размножения клеток
Клеточный и митотический циклы
Клеточный (жизненный) цикл - это период в жизнедеятельности клетки!
от момента ее появления до гибели или образования дочерних клеток. Ми-1
тотический цикл — это период в жизнедеятельности клетки от момента ее
образования и до разделения на дочерние клетки. Митотический цикл ]
включает интерфазу и митоз (рис. 7).
Рисунок 7. Схема митотического цикла: Gi - пресинтетический период;
S— синтетический период; G, - постсинтетический период
38
Интерфаза состоит из трех периодов: пресинтетического (постмитосинтетического S и постсинтетического (премитотическоj — G2. Содержание генетической информации в клетке обозначают
^едующим образом: п - набор хромосом, хр - число хроматид в одной
хромосоме, с - число молекул ДНК.
Образовавшаяся после митоза клетка содержит диплоидный набор
хромосом и соответственно удвоенное число молекул ДНК, каждая хро­
мосома имеет одну хроматиду (2п1хр2с). Такая клетка вступает в пресин^тический период (Gi) интерфазы, продолжительность которого колеб­
лется от нескольких часов до нескольких месяцев и даже лет. В этот пе­
риод клетка выполняет свои функции, увеличивается в размерах, в ней
дает синтез белков и нуклеотидов, накапливается энергия в виде АТФ.
В синтетический период (S) происходит репликация молекул ДНК и
ее содержание в клетке удваивается, т. е. каждая хроматида достраивает
себе подобную, и генетическая информация к концу этого периода стано­
вится 2п2хр4с. Одновременно в клетке идут обменные процессы, и она
продолжает выполнять свои функции. Длительность этого периода 6 - 8 ч.
В постсинтетический период (G2) клетка готовится к митозу: накап­
ливается энергия, синтезируются белки ахроматинового веретена.
Постепенно затухают все синтетические процессы, необходимые для
репродукции органоидов, меняется вязкость цитоплазмы и ядерноцитоплазменное соотношение, прекращается выполнение клеткой основ­
ных функций. Содержание генетической информации не изменяется
(2п2хр4с). Клетка вступает в митоз.
тйч е с к о г о ) G |,
Митоз
Митоз - это основной способ размножения соматических клеток.
Главными причинами начала м итоза являются: изменение ядерноЧитоплазменного соотношения (в разных клетках оно достигает 1/69 "89); появление "митогенетических лучей" - делящиеся клетки "заставЛя,от" расположенные рядом клетки вступать в митоз; наличие "раневых
г°рмонов" - поврежденные клетки выделяют особые вещества, вызыВак>Щие митоз неповрежденных клеток. Важная роль в регуляции делеЧя клеток принадлежит белкам-циклинам, изменяющим продолжительНост|>фазы G/.
Непрерывный процесс митоза подразделяют на 4 стадии, которым
реДШествует интерфаза: профазу, метафазу, анафазу и телофазу,
39
В стадии профазы происходит увеличение объема ядра, спирализация хроматиновых нитей, расхождение центриолей к полюсам клетки и
формирование веретена деления. К концу профазы фрагментируются яд­
рышки и ядерная оболочка, хромосомы выходят в цитоплазму и устрем­
ляются к центру клетки. В конце профазы к центромерам хромосом при­
крепляются нити веретена деления. Содержание генетического материа­
ла при этом не изменяется (2п2хр4с).
М етаф аза - сам ая короткая фаза, когда хром осом ы располага­
ются на экваторе клетки. В этой стадии достигается наибольшая спирализация хромосом и их удобнее всего изучать. Содержание генетического
материала остается прежним.
В стадии анафазы происходит продольное разделение хроматвд в
области центромеры. Нити веретена деления сокращаются, и хроматиды
(дочерние хромосомы) расходятся к полюсам клетки. Содержание генети­
ческой информации становится 2 п \xp2c у каждого полюса.
В стадии телофазы формируются ядра дочерних клеток: хромосомы деспирализуются, строятся ядерные оболочки, в ядре появляются ядрышки.
Митоз заканчивается цитокинезом — делением цитоплазмы мате­
ринской клетки. В конечном итоге образуются две дочерние клетки, каж­
дая из которых имеет 2 и хромосом, одну хроматиду в хромосоме и 2 с на­
боров ДНК.
О сновн ое зн ач ен и е м и то за зак л ю ч ается в поддержании по­
стоянства числа хромосом, обусловленном точным распределением гене­
тической информации между дочерними клетками.
Разновидностями митоза являются эндомитоз, политения и мейоз.
При эндомитозе происходит удвоение хромосом без деления ядра, что
приводит к образованию полиплоидных клеток. При политении наблю­
дается многократное удвоение хроматид, но они не расходятся, и в ре­
зультате образуются политенные (многохроматидные, гигантские) хромо­
сомы, например в слюнных железах мухи дрозофилы.
Митоз - не единственный способ деления клеток. Эукариотические
клетки могут размножаться и амитозом.
Амитоз — прямое деление клеток и ядер, находящихся в условиях фи­
зиологической и репаративной регенерации, либо опухолевых клеток.
Типичный амитоз начинается с образования перетяжки ядра, затем цито­
плазмы, и далее они делятся на две части. Установлено, что и при амито­
зе происходит равномерное распределение генетического материала
между дочерними клетками.
Мейоз
Мейоз - это деление соматических клеток половых желез, в результате
к о то р о г о образуются половые клетки - гаметы. Мейотическое деление
П р о тек а ет в два этапа - м е й о ч - I и м е й о з - II. Каждое мейотическое деле^ е , такясе как и митотическое, подразделяют на 4 фазы:
•
профазу,
•
метафазу,
t
анафазу
•
телофазу (рис. 8 ).
Наиболее сложной является профаза мейоза-I. Она подразделя­
ется на 5 стадий: леггготена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез.
Хроматиновые нити спирализуются, вследствие чего они утолщаются
и укорачиваются и на стадии лептотены становятся различимы под мик­
роскопом. Во многих случаях заметны интенсивно окрашивающиеся уча­
стки - хромомеры, в которых хроматин сильно спирализован, и слабо ок­
рашивающиеся, в которых хроматин слабо спирализован. Нитевидные
гомологичные хромосомы начинают движение друг к другу центромерными участками. Содержание генетического материала составляет
2п2хр4с.
Унок 8. Схема мейоза (показана одна пара гомологичных хромосом):
^ 03 -I. 1 - лептотена; 2 - зиготена; 3 - пахитена; 4 - диплотена;
Мей ИаКИКе3; 6‘ метаФаза> 7- анафаза; 8 - телофаза; 9 - интеркинез;
° 3' II: 1 0 -метафаза; 11 - анафаза; 1 2 -дочерние клетки
40
41
мейоза-I не отличается от таковой митоза.
В результате мейоза-I образуются две дочерние клегки, содержащие гад^идный набор хромосом, но каждая хромосома имеег две хроматиды
( 1п2 хр2 с). Следовательно, в результате мейоза-1 происходит редукция
(уменьшение вдвое) числа хромосом, откуда и название этого деления —
редукционное.
После окончания мейоза-I наступает короткий промежуток — интеркинез, в течение которого не происходит репликации ДНК и удвоения
хроматид.
Мейоз-Н — эквационное деление — протекает по тип)' обычного митоза.
Профаза мейоза-I! непродолж ительная, гак как хромосомы после
т ел о ф а зы мейоза-I остаются спирапизованными. Изменений генетиче­
ского материала не происходит (1п2хр2с). В метафазе мейоза-11 хро­
м осом ы располагаются в экваториальной плоскости клетки. Содержание
генетического материала — 1п2хр2с. В анафазу мейоза-Н к полюсам
отходят хроматиды (дочерние хромосомы) и содержание генетического
материала становится ln lx p lc у каждого полюса клетки. В телофазе мей­
оза-Н после цитокинеза образуются клетки с гаплоидным набором хромо­
сом, содержащих одну хроматаду (lnlxplc).
Таким образом, в результате двух последовательных делений мейоза из
одной диплоидной клетки образуются 4 гаплоидные.
Значение мейоза состоит в поддержании постоянства числа хро­
мосом и рекомбинации генетического материала, обусловленной кроссинговером и случайным расхождением к полюсам гомологичных хромосом и
хроматид.
При нарушении нормального течения митоза или мейоза наблюдаются
различные хромосомные и геномные мутации — делеции, дупликации, по­
липлоидии, анеуплоидии и др.
Т елоф аза
На стадии зиготены начинается конъюгация — попарное соедине­
ние гомологичных хромосом. Гомологичные хромосомы соприкасаются
сначала в области центромер, а затем по всей длине. Их хромомеры точно
совпадают. Содержание генетического материала не изменяется: 2п2хр4с.
На стадии пахитены гомологичные хромосомы тесно соприкасаются
по всей длине, образуя биваленты. Бивалент — это пара гомологичных
хромосом, каждая из которых состоит из двух хроматид, т. е. в биваленте
содержится 4 хроматиды (отсюда другое название бивалентов — тетра­
ды). Число бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом In. К концу этого периода начинают действовать силы отталкивания в
области центромер, и становится заметным, что каждая хромосома со­
стоит из 2 хроматид. Конъюгирующие хромосомы могут обмениваться
участками хроматид — происходит кроссинговер. Содержание генети­
ческого материала не изменяется, однако его можно записать иначе 1пбив4хр4с (In бивалентов, каждый бивалент состоит из 4 хроматид и 4 на­
боров ДНК).
На стадии диппотены между конъюгирующими гомологичными хромо­
сомами продолжают действовать силы отталкивания, в результате чего
хроматиды начинают расходиться, оставаясь соединенными в участках
перекрестов — хиазм. Расхождение хроматид увеличивается, а хиазмы по­
степенно смещаются к их концам. Содержание генетического материала
остается прежним (1пбив4хр4с).
На стадии диакинеза завершается спирализация и укорочение хромосом
(они окрашиваются равномерно). Биваленты, соединенные только своими
концами, обособляются и располагаются по периферии ядра.
В течение профазы центриоли расходятся к полюсам клетки, а в конце
профазы фрагментируются ядрышко и ядерная оболочка.
Проконъюгировавшие хромосомы выходят в цитоплазму и движутся к
экватору клетки. К центромерам хромосом прикрепляются нити ахроматинового веретена. Содержание генетического материала —1пбив4хр4с.
В м егаф азе м ейоза-I в экваториальной плоскости клетки отчет­
ливо видны биваленты, прикрепленные центромерами к нитям веретёна
деления. Содержание генетического материала остается прежним.
В. анафазе мейоза-I гомологичные хромосомы, состоящие из
двух хроматид, отходят к противоположным полюсам клетки. Расхожде­
ние хромосом носит случайный характер. Содержание генетического мате­
риала становится 1п2 хр2 с у каждого полюса клетки, а в целом в клетке 2 ( 1 п2 хр 2 с).
42
Размножение на организменном уровне
Гаметогенез
Еаметоррнез — это процесс образования гамет — мужских и женских
половых клеток.
Яйцеклетки образуются в женских гонадах (яичниках) и имеют относи­
тельно крупные размеры (от 60 мкм до нескольких сантиметров в диамет­
ре), Шарообразную или слегка вытянутую форму. Они неподвижны. СоСТав и структура цитоплазмы яйцеклеток являются видоспецифичныМи- Они содержат полный набор органоидов, индукторов и запас пита-
42,
тельных веществ (желток). Яйцеклетки покрыты оболочкой, а у млекопитающих — и клетками фолликулярного
эпителия
(рис. 9).
—
—
7
а
Рисунок 9. Схема строения яйцеклетки (а) и сперматозоида (б):
а: 1- цитоплазма; 2 - кортикальный слой цитоплазмы; 3 - ядро; 4— мембра­
на; 5- фолликулярные клетки; б: 6 - акросома; 7 - ядро; 8- митохондрии;
9- хвост; / 0 -шейка; 11- головка
Сперматозоиды образуются в мужских гонадах (семенниках), имеют
малые размеры (40-500 мкм длиной) и в типичном случае состоят из го­
ловки, шейки и хвоста. Они подвижны. На переднем конце головки рас­
положена акросома (видоизмененный комплекс Гольджи), способствую­
щая проникновению сперматозоида в яйцеклетку. Ядро занимает всю го­
ловку и окружено тонким слоем цитоплазмы. В шейке находятся центриоль и спиральная нить митохондрий, которые поставляют энергию для
движения сперматозоида.
Гаметогенез характеризуется рядом важных биологических процес­
сов. Сперматогенез (образование сперматозоидов) протекает в семен­
ных канальцах. Наружный слой семенных канальцев представлен дипло­
идными сперматогонияии, которые начинают интенсивно делиться митотически с наступлением полового созревания организма. Эта зона семен­
ника называется зоной размножения. Часть сперматогоний вступает в сле­
дующую зону - зону роста Здесь они превращаются в сперматоциты I по­
рядка. Далее эти клетки вступают в зону созревания (ближе к центру ка­
нальца), где происходит мейоз. В результате его первого деления обра­
зуются 2 сперматоцита II порядка, а в результате второго — 4 сперматиды. Сперматиды переходят в зону формирования, где из них об­
разуются сперматозоиды.
44
Овогенез (образование яйцеклеток) протекает в яичниках. Первич­
нее клетки - диплоидные овогонии проходят периоды размножения и рос^ д о рождения женского организма. У человека мейоз начинается на 2-4М месяце эмбриогенеза. К моменту рождения мейоз останавливается на
длительное время в стадии диакинеза (профаза мейоза-I). В период поло­
рого созревания в первой половине каждого лунного месяца лютеинизи0 уюЩий гормон стимулирует мейоз. Он идет до метафазы мейоза-Н и
опять останавливается. Второе мей-отическое деление завершается толь­
к о после оплодотворения. В результате мейоза-! из овоцитов 1 порядка
0бразуются овоциты II порядка, а после мейоза-П - овотиды, превращаю­
щиеся в яйцеклетки. При делении овоцита I порядка образуется один
о в о ц и т II порадка, содержащий основное количество цитоплазмы, и одно
маленькое редукционное тельце, которое в дальнейшем может разделить­
ся еще раз. При делении овоцита II порядка также образуется редукцион­
ное тельце и одна овотида (яйцеклетка).
Таким образом, в процессе овогенеза из одного овогония образуются I
яйцеклетка и 3 редукционных тельца, которые в дальнейшем дегенериру­
ют. При сперматогенезе из 1 сперматогония образуется 4 равноценных
сперматозоида.
Особенности репродукции человека
Особенности репродукции человека обусловлены его спецификой как
биологического и социального существа.
Способность к репродукции становится возможной с наступлением
половой зрелости, признаками которой являются первые менструации у
девочек (с 12-15 лет) и поллюции у мальчиков (с 16-18 лет). Репродуктив­
ная способность у женщин сохраняется до 40-45 лет, у мужчин - до старости.
Продуцирование гамет у человека в отличие от большинства животных не
связано с сезонами года. С момента полового созревания яичник женщи­
ны периодически (один раз в лунный месяц) выделяет обычно одну яйце­
клетку, созревающую из овоцитов, заложенных на ранних стадиях эм­
бриогенеза. За весь репродуктивный период у женщины образуется око­
ло 400 яйцеклеток. Чем старше женщина, тем больший отрезок времени
^ Д е ляет мейоз-I и мейоз-П и тем выше вероятность нарушения норMgjbHoro формирования яйцеклетки. Поэтому у женщин с возрастомПовышается вероятность рождения детей с генетическими дефектами,
с!с^бенно связанными с нерасхождением хромосом.
_ Зрёлыйтоеменник мужчины непрерывно в течение всей жизни выра,8ает огромное количество сперматозоидов. Постоянное образование
сперматозоидов практически не изменяет межмейотический отрезок в р е ­
мени, однако способствует накоплению генных мутаций, в результате
чего возраст отцов не влияет на частоту рождения детей с хромосомными
болезнями, но способствует увеличению у потомства наследственной па­
тологии, обусловленной генными мутациями.
Тема 6. ОРГАНИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА.
Ген — это единица наследственности и изменчивости. По совре­
представлениям ген - тго участок молекулы ДНК, дающий
„„формацию о синтезе определенного полипептида или нуклеиновой
кислоты. Набор генов организма, которые он получает от своих роди­
телей. называется генотипом, а содержание генов в гаплоидном набо^хром осом - геномом.
Совокупность всех внешних и внутренних признаков организма,
р а зв и в а ю щ и х с я на основе генотипа под воздействием факторов среды
н азы вается фенотипом, а отдельный признак, определяемый одним
Реном - феном.
м ен н ы м
Эволюция понятия «ген».
Отдельные сведения по наследованию признаков были известны
очень давно, однако закономерности их передачи впервые изложил Г.
Мендель в 1865 г. в работе: «Опыты над растительными гибридами».
Современники не придали значения его открытию. Понятия «ген» в то
время еще не было, и Г.Мендель говорил о «наследственных задат­
ках», содержащихся в половых клетках, природа которых была неиз­
вестна.
В 1900 г. независимо друг от друга Г. де Фриз (Голландия), Э. Чермак (Австрия) и К. Корренс (Германия) заново открыли законы Г.
Менделя. Этот год и считается годом рождения генетики как науки. В
1902 г. Т. Бовери, Э.Вильсон и Д. Сегтон высказали предположение о
связи наследственных факторов с хромосомами. В 1906 г. У. Бэтсон
ввел термин «генетика», а в 1909 г. В. Иогансен — «ген». В 1911 г. Т.
Морган и сотрудники сформулировали основные положения хромо­
сомной теории наследственности.
В начале XX в. господствовало представление о стабильности и не­
изменяемости генов (А. Вейсман), а если изменения и происходят (Г.
Де Фриз), то самопроизвольно, независимо от влияния среды. Это
ошибочное мнение было опровергнуто получением индуцированных
мУтаций Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым (1925) на грибах, Г. МелЛеРом (1927) на дрозофиле и И. Л. Стадлером (1928) на кукурузе.
о это же время существовало представление о неделимости гена.
Однако в конце 50-х годов С. Бензер показал, что ген является дис­
кретной единицей. При выполнении основной функции - программи­
ровании синтеза белка - ген выступает как целостная единица, измене­
47
ние которой вызывает перестройку структуры белковой молекулы. Эту
единицу Бензер назвал цистроном. По величине он примерно ранец
гену. Дискретность гена заключается в наличии у него субъединиц
Элементарная единица изменчивости гена, единица мутации, названа
мутоном, а единица рекомбинации (обмен участками гомологичны*
хромосом в профазе мейоза I) - реконом. Минимальные размеры муто­
на и рекона равны одной паре нуклеотидов. В настоящее время эле­
ментарной структурной единицей гена считают пару нуклеотидов, а
функциональной - кодон.
В 20-е годы было установлено, что хромосомы состоят из белка и
нуклеиновых кислот. В 1928 г. Н.К. Кольцов предположил, что функ­
ции генов выполняют белковые молекулы, и белки способны к само­
воспроизведению. Однако, в дальнейшем было доказано, что носите­
лем генетической информации является молекула ДНК.
Роль ДНК в передаче наследственной информации
Трансф ормация — эго способность одного штамма бактерий
встраивать участки молекулы ДНК другого штамма и приобретать при
этом свойства последнего.
Одним из доказательств роли ДНК в передаче наследственной ин­
формации были опыты по трансформации бактерий (Ф. Гриффите,
1928). В результате их анализа было высказано предположение, что
свойство вирулентности от одного штамма пневмококков к другому
передают фрагментами молекулы ДНК.
Второе доказательство роли ДНК в передаче наследственной ин­
формации получили Н. Циндер и Дж. Ледерберг. В 1952 г. они описали
явление трансдукции.
Трансдукции - это способность бактериофагов переносить фраг­
менты ДНК от одного штамма бактерий к другому и передавать соот­
ветствующие свойства.
Еще одним доказательством того, что нуклеиновые кислоты, а не
белки, являются носителями генетической информации, были опыты
X. Френкель-Конрата (1950) с вирусом табачной мозаики (ВТМ).
Так, с открытием явлений трансформации, трансдукции и механиз­
мов взаимодействия вируса и клетки была доказана роль нуклеиновых
кислот в передаче наследственной информации.
В 40-х годах XX века Г. Бидл и Е. Татум уегановили, что гены отве­
чают за образование ферментов, которые через клеточный метаболизм
оказывают влияние на развитие морфологических и физиологических
„«знаков. Они выдвинули гипотезу «один ген - один фермент». В наВрящее время она трактуется: «один ген - один полипептид», так как
ен не всегда детерминирует синтез целой белковой молекулы.
0 начале 50-х годов XX века Э. Чаргафф открыл явление компле^ентарности азотистых оснований в молекуле ДНК (правила ЧарГ»ффа )’ показав>что количество аденина всегда равно количеству ти­
шина, а количество гуанина - количеству цитозина.
Таким образом, в начале 50-х годов прошлого столетия было дока­
зано, что материальной единицей наследственности и изменчивости
является
ген,
который
имеет
определенную
структурно­
функциональную организацию.
Строение ДНК и РНК
Структура молекулы ДНК была расшифрована Дж. Уотсоном, Ф.
Криком и М. Уилкинсом в 1953 г. Она представляет собой две спи­
рально закрученные антипараллельные (напротив конца 3 одной цепи
располагается 5 конец другой) гтолинуклеотидные цепи. Мономерами
ДНК являются нуклеотиды, в состав каждого из них входят:
1) пятиуглеродный сахар - дезоксирибоза;
2 ) остаток фосфорной кислоты"!
3) одно из четырех азотистых оснований (аденин, тимин, гуанин,
цитозин).
Нуклеотиды соединяются в цепочку путем образования ковалент­
ных (фосфодиэфирных) связей между дезоксирибозой одного и остат­
ком фосфорной кислоты другого нуклеотида. Азотистые основания
присоединяются к дезоксирибозе и образуют боковые радикалы. Меж­
ду азотистыми основаниями цепочек ДНК устанавливаются водород­
ные связи: 2 - между аденином и тимином, 3 - между гуанином и цито­
зином. Строгое соответствие (взаимодополнение) нуклетидов друг
Другу в парных цепочках ДНК (А-Т, Г-Ц) называется комплементарН О СТЬЮ .
ДНК является хранителем генетической информации во всех клетКад про- и эукариот. У вирусов эту функцию может выполнять и моле­
кула РНК.
49
определенной последовательности нуклеотидов называется генетиче­
ским кодом.
С войства генетического кода:
1. Триппетность - одной аминокислоте в полипептидной цепочке
соответствуют три расположенных рядом нуклеотида молекулы ДНК
(и-РНК); минимальная единица функции - триплет (кодон).
2. Вырожденностъ (избьггочность) - количество возможных три­
плетов 64, а аминокислот - 20 , поэтому одну аминокислоту может ко­
дировать несколько триплетов.
3. Неперекрываемость — один нуклеотид входит в состав только
одного триплета.
4. Универсальность — у всех живых организмов одинаковые три­
плеты кодируют одинаковые аминокислоты.
5. Однонаправленность считывания (5/=> З1).
6. Среди триплетов генетического кода есть такие, которые не ко­
дируют аминокислот. Они являются “m nsens’’-кодонами (терминато­
рами), обозначающими конец синтеза данной полипептидной молеку­
лы. К ним относятся в ДНК: ATT, АЦТ, АТЦ; в РНК: У А А, У ГА,
УАГ.
Таблица 3. Соответствие кодонов и-РНК аминокислотам
2 -е азотистое обпазование
тир
тир
поп
поп
гис
гис
глн
глн
иле
иле
иле
мет
асн
асн
лиз
лиз
асп
аси
глу
глу
52
Следующий этап в биосинтезе белка - перевод последовательности
клеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот пол и пептида - трансляция. Транспортные РНК (т-РНК) «приносят» ами­
нокислоты в большую субъединицу рибосомы. Молекула т-РНК имеет
с л о ж н у ю конфигурацию и похожа по форме на лист клевера. На верхушке расположен триплет свободных нуклеотидов, которые по свое>1у генетическому коду соответствуют определенной аминокислоте
(антикодон); на другом 5; конце располагается гуанин, а на 3' конце
триплет ЦЦА. Каждая т-РНК может переносить только свою амино­
кислоту. Процесс узнавания своей аминокислоты называется рекогнииией Аминокислота присоединяется к аденину триплета ЦЦА с
образованием аминоацил -т-РНК (фермент аминоацил-т-РНКсинтетаза и АТФ). Энергии этой связи достаточно для образования в
последующем пептидной связи.
Начальный этап трансляции называется инициацией; при этом к
рибосоме всегда присоединяется метионин-т-РНК. Сам процесс
трансляции (образование пептидных связей) называется элонгацией, а
окончание трансляции — терминацией.
Внутри большой субъединицы рибосомы в каждый данный момент
находится всего два кодона и-РНК: один - в аминоацильном, а один - в
пептидильном центрах. Т-РНК с аминокислотой подходит к аминоацильному центру рибосомы, если антикодон т-РНК является компле­
ментарным кодону и-РНК, то происходит временное присоединение тРНК с аминокислотой к кодону и-РНК. После этого рибосома передви­
гается на один кодон и-РНК, и т-РНК с аминокислотой перемещается в
пептидилъный центр, а к освободившемуся аминоацильному центру
рибосомы приходит новая т-РНК с аминокислотой и устанавливается
там, если антикодон т-РНК является комплементарным кодону и-РНК.
С помощью ферментов между аминокислотами, находящимися в рибо­
соме, устанавливается пептидная связь. Одновременно разрушается
связь между первой аминокислотой и ее т-РНК, а также т-РНК и ирНК, и т-РНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. Ри­
босома опять перемещается на один триплет и процесс повторяется.
Считывание информации идет в одном направлении 5 '= > 3 '.
Так постепенно наращивается молекула полипептида, в которой
Аминокислоты располагаются в строгом соответствии с порядком ко­
дирующих их триплетов (колинеарность). На заключительном этапе
^РМ инация) рибосома доходит до одного из «nonsens»- кодонов иУДА, УГА, УАГ, и синтез полипептида прекращается.
53
Уровни упаковки генетического материала.
Двойная спираль молекулы ДНК соединяется с гистоновыми и негистоновыми белками, образуя нуклеопротеидные фибриллы. Длина
этих фибрилл в диплоидном наборе хромосом человека равна пример,
но 2 м, а совокупная длина всех хромосом в метафазе составляет около
150 мкм. Принято считать, что каждая хроматида хромосомы содержит
одну непрерывную молекулу ДНК. Упаковка генетического материапа
достигается путем спира-лизации (конденсации).
1. Первый уровень упаковки ДНК — нуклеосомный. Нуклеосома
представляет собой глобулу (октамер), содержащую по две молекулы
каждого из четырех гистонов - (Н 2а, Н 2в, Н3, Н4), вокруг которой двой­
ная спираль ДНК образует около двух витков и переходит на следую­
щую глобулу. Длина «накрученного» фрагмента ДНК составляет при­
мерно 50 нм (около 200 пар нуклеотидов). Образованная таким спосо­
бом нуклеосомная нить имеет диаметр 10-13 нм. Длина молекулы ДНК
уменьшается в 5-7 раз. Нуклеосомный уровень упаковки обнаружива­
ется в электронном микроскопе в интерфазе и в начале митоза.
2. Второй уровень упаковки — соленоидный (супернуклеосомный). Нуклеосомная нить конденсируется, ее нуклеосомы «сшивают­
ся» гистоном Н|, и образуется спираль диаметром около 25 нм. Один
виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Этим достигается укорочение
нити еще в 6 раз. Супернуклеосомный уровень упаковки обнаружива­
ется в электронном микроскопе как в интерфазных, так и в митотиче­
ских хромосомах.
3. Третий уровень упаковки — хроматидный (петлевой). Супернуклеосомная нить спирализуется с образованием петель и изгибов.
Она составляет основу хроматиды и обеспечивает хроматидный уро­
вень упаковки, который обнаруживается в профазе. Диаметр петель
около 50 нм. Нить ДНП укорачивается в 10-20 раз,
4. Четвертый уровень упаковки — уровень мегафазной хромосомы,
Хроматиды в метафазе способны спирализоватъся с образованием эухроматиновых (слабо спирализованных) и гетерохроматиновых (силь­
но спирализованных) участков; происходит укорочение в 20 раз. Meтафазные хромосомы имеют длину от 2,3 до 11 мкм и диаметр от 0,2
до 5,0 мкм. Общий итог конденсации — укорочение нити ДНИ в 10000
раз.
54
«Хромосомы» прокариотических клеток
Представляют собой кольцевые молекулы ДНК, содержащие около
5 х 1Q6 паР нуклеотидов и образующие комплексы с негистоновыми
белками. Используя специальные методы разрушения, прокариот
мо>кно обнаружить, что их ДНК собрана в «бусины», близкие по вели­
чине нуклеосомам эукариот. Эти бусины очень лабильны, что указы­
вает на слабое взаимодействие между ДНК и белками. Характер кон­
денсации хромосомы прокариот не вполне выяснен, но в целом она
может быть выделена в виде компактной структуры, называемой нуклеоидом. В прокариотических клетках (бактерии) содержатся и коль­
цевые двухцепочечные молекулы ДНК, состоящие из нескольких ты­
сяч пар нуклеотидов, которыми они могут обмениваться с другими
бактериями. Эти автономные генетические элементы — плазмиды
способны реплицироваться вне зависимости от репликации нуклеоида.
Плазмиды содержат гены устойчивости к антибактериальным факто­
рам.
Кольцевые молекулы ДНК содержатся и в эукариотических клетках
в самореплицирующихся органоидах (митохондрии, пластиды). Эти
молекулы невелики и кодируют небольшое количество белков, необ­
ходимых для осуществления автономных функций органоидов. Такая
ДНК не связана с гистонами.
П ервичны е функции гена
Первичными функциями генов являются хранение и передача гене­
тической информации. Передача генетической информации происхо­
дит от ДНК к ДНК при репликации ДНК (аугосинтетическая функция
при размножении клеток) и от ДНК через и-РНК к белку (гетеросинтетическая функция при биосинтезе белка). Такой путь передачи инфор­
мации от ДНК к и-РНК и Ф. Крик (1958) назвал «центральной догмой
мокулярной биологии».
Долгое время считалось, что передача генетической информации в
обратном направлении невозможна. В 1975 г. Р. Дульбеко, Г. Тимин и
•
алтимор описали явление обратной транскрипции, т.е. передачи
енетической информации от и-РНК к ДНК с помощью фермента об­
ратной транскрип газы (ревертазы). Ревертаза была открыта у РНК^Держащих вирусов еще в 1970 г. (Г. Тимин, С. Музатани). Наличие
в Нормальных клетках свидетельствует о возможности переЛенн ИИФ°Рмации от
К к ДНК. Было установлено, что на опредеbix стадиях эмбриогенеза в клетках амфибий резко возрастает
число генов, кодирующих рибосомальную РНК (ам плиф икация ге­
нов). При этом происходит увеличение числа копий генов рибосомальной РНК методом обратной транскрипции.
С войства генов
Гены характеризуются определенными свойствами:
• специфичностью - каждый структурный ген обладает только ему
присущим порядком расположения нуклеотидов и детерминиру­
ет синтез определенного полипептида,
• целостностью - при программировании синтеза полипептида ген
выступает как неделимая единица и дискретностью (наличие
•
субъединиц),
стабильностью (относительно устойчивы) и лабильностью (спо­
•
собность мутировать),
плейотропией - один ген может отвечать за проявление несколь­
•
•
ких признаков,
экспрессивностью (степень фенотипического проявления)
пенетрантностью (частота проявления гена).
Уровни организации наследственного материала
Различают следующие уровни структурно-функциональной органи­
зации наследственного материала: генный, хромосомный и геномный.
1. Элементарной структурой генного уровня организации является
ген. Г ены относительно независимы друг от друга, поэтому возможны
дискретное (раздельное) и независимое наследование (III закон Мен­
деля) и изменение (мутации) отдельных признаков.
2. Гены клеток эукариот находятся в хромосомах, обеспечивая хро­
мосомный уровень организации наследственного материала. Гены од­
ной хромосомы образуют группу сцепления и передаются, как прави­
ло, вместе. Этот уровень организации - необходимое условие сцепле ­
ния генов и перераспределения генов родителей у потомков при поло­
вом размножении (кроссинговер и случайное расхождение хромосом и
хроматид к полюсам при мейозе).
3. Вся совокупность генов организма в функциональном отношении
ведет себя как целое и образует единую систему, называемую геноти­
пом (геномом). Один и тот же ген в разных генотипах может п р о я в л я т ь
себя по-разному. Геномный уровень организации объясняет внутри- н
межаллельное взаимодействие генов, расположенных как в одной, так
Тема 7. РЕГУЛЯЦИЯ РАБОТЫ ГЕНОВ
К лассификация генов.
Все гены по функциям подразделяются на структурные и функцио­
нальные. С труктурны е гены несут информацию о белках-ферментах
Л пистонах, о последовательности нуклеотидов в различных видах
рНК- Среди функциональных генов выделяют гены-модуляторы,
усиливающие или ослабляющие действие структурных генов (ингиби­
торы, интенсификаторы, интеграторы, модификаторы) и гены, регули­
рующие работу структурных генов (регуляторы и операторы).
Известно, что генотип у всех соматических клеток одинаковый
(следствие равного распределения генетического материала между до­
ч е р н и м и клетками при митозе), однако клетки разных тканей и орга­
нов одного организма сильно отличаются (нервные, мышечные, эпите­
лиальные, соединительнотканные). Следует предположить, что в раз­
ных клетках работают разные блоки генов. Область проявления дейст­
вия данного гена называется поле действия гена, например, гены, де­
терминирующие рост волос, развитие определенных папиллярных узо­
ров на пальцах, ладонях и стопах и др.
Гены функционируют непостоянно. Например, гены, детермини­
рующие синтез пигмента меланина, окрашивающего волосы человека,
в пожилом возрасте перестают работать, и волосы седеют. Гены, де­
терминирующие синтез половых гормонов, интенсивно начинают
функционировать с момента полового созревания. Их функция значи­
тельно снижается к старости. Время работы гена — это период его
функционирования.
Регуляция работы генов.
Многими учеными было замечено, что некоторые ферменты у
Дрожжей и бактерий образуются в клетках только при выращивании их
на определенных питательных средах. Например, при выращивании
кишечной палочки на питательной среде, не содержащей лактозы, ее
клетки содержат незначительное число (меньше пяти) молекул фер­
мента лактазы, разлагающего лактозу на глюкозу и галакгозу. При до­
бавлении в питательную среду лактозы бактериальные клетки в гечеНИе 2-3 мин синтезируют большое количество лактазы (свыше 5 тыс.
Молекул). При удалении из среды лактозы синтез лактазы быстро прекРаЩается. Вещества, индуцирующие синтез ферментов, которые их
С лагаю т, называются индукгорами (в данном примере индуктором
Яйляется лактоза).
и в разных хромосомах.
56
57
Подобные механизмы используются клеткой для выключения син­
теза нужных ей соединений при их наличии в питательной среде. Например, аминокислота триптофан синтезируется при участии фермента
триптофан-син-тетазы. Однако, если в среде, на которой выращиваются бактерии, присутствует триптофан, синтез фермента немедленно
прекращается. Это явление получило название репрессии, а вызы­
вающий его фактор (в нашем примере - триптофан) - корепресеором.
Регуляция работы генов у прокариот.
Схема регуляции транскрипции у прокариот была предложена ф,
Жакобом и Ж. Моно в 1961 г на примере лактозного оперона. Группа
структурных генов, управляемая одним геном-оператором, образует
оперон. В состав оперона входит также небольшой участок ДНК —
промотор с инициатором — место первичного прикрепления РНКполимеразы — фермента, катализирующего реакции ДНК-зависимого
синтеза и-РНК.
Ген-оператор включает и выключает структурные гены для считы­
вания информации, следовательно, они активны непостоянно. Закан­
чивается оперон терминатором.
Ген-регулятор, находящийся обычно на некотором расстоянии от
оперона, постоянно активен и на основе его информации синтезирует­
ся особый белок-репрессор.
Белок-репрессор обладает способностью блокировать геноператор, вступая с ним в химическое соединение, и тогда считывание
информации со структурных генов не происходит, т.е. оперон «не ра­
ботает».
Если в клетку поступает индуктор, то он связывает белок-репрессор
(вступает с ним в химическую связь), освобождая ген-оператор. РНКполимераза разрывает связи между двумя цепочками ДНК оперона,
начиная с промотора, и по принципу комплементарное™ и н ф о р м а ц и я
(порядок нуклеотидов) со структурных генов переписывается на иРНК (полицистронную), которая затем идет в рибосомы, где синтези­
руются ферменты, разлагающие индуктор. Когда последние молекулы
индуктора будут разрушены, освобождается белок-репрессор, к о т о р ы й
снова блокирует ген-оператор — работа оперона прекращается. Она
опять возобновится при поступлении индуктора.
Для каждого оперона имеется свой специфический индуктор. На­
пример, для лактозного оперона индукгором является лактоза, для
фруктозного — фруктоза и т.п.
58
Регуляция работы генов у эукариот.
Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г. П. Геор-
ым (1972). Принцип регуляции (обратная связь) сохраняется, но
ханизмы ее более сложные. Единица транскрипции у эукариот наается транскринтоном. Он состоит из неинформативной (акцепзЬ НОй) и информативной (структурной) зон. Неинформативная зона
ч и н а е т с я промотором с инициатором. Далее следуют группа геновоперат°Р °в’ за которыми расположена информативная зона. Инфор­
м а т и в н а я зона образована структурным геном, разделенным на экзоны (информативные участки) и интроны (неинформативные участки).
Закан чи вается транскриптон герминатором.
Работу транскриптона регулирует несколько генов-регуляторов,
дающих информацию для синтеза нескольких белков-репрессоров.
Индукторами в клетках эукариот являются сложные молекулы (напри­
мер, гормоны), для расщепления которых требуется несколько фер­
ментов (многоступенчатые реакции). Когда индукторы освобождают
гены-операторы от белков-репрессоров, РНК-полимераза разрывает
водородные связи между двумя цепочками ДНК транскриптона и по
правилу комплементарности на нем сначала синтезируется большая
молекула проинформационной РНК, списывающая информацию как с
информативной, так и с неинформативной зон.
В дальнейшем в ядре клетки происходит процессинг - фермента­
тивное разрушение неинформативной части РНК и расщепление фер­
ментами рестриктазами информативной части на фрагменты, соответ­
ствующие экзонам. Молекула и-РНК (моноцистронная), соответст­
вующая экзонам структурного гена, формируется посредством сплай­
синга (сплавления) отдельных информативных фрагментов фермента­
ми лигазами. Далее и-РНК выходит из ядра, идет в рибосомы, где и
происходит синтез белка-фермента, необходимого для расщепления
индукторов. Включение и выключение транскриптона происходит
принципиально так же, как и оперона.
В геноме эукариот встречаются уникальны е последовательности
нУклеотидов (одна в геноме), составляющие от 15 до 98% всего геноМа (У человека - 56%). Уникальная ДНК входит в состав структурных
Ген° в и Дает информацию о первичной структуре полипептидов, приЧем более половины ее бывает неактивной. Наличие неинформативных
СТк°в (интронов) в генах эукариот — универсальное явление. Счит>Что интроны содержат запасную информацию, обеспечивающую
енчивость. Кроме того, в геномах эукариот содержатся последова-
59
тельности нуклеотидов, многократно повторяющиеся (десятки, сотни и
даже миллионы раз). Повторяющиеся гены выполняют разнообразные
функции: являются промоторами, регулируют репликацию молекул
ДНК, участвуют в кроссинговере, отделяют экзоны и интроны и др.
Жизнедеятельность организма обусловлена, в основном, функцио­
нальной активностью уникальных генов, которая, в свою очередь, за­
висит от состояния внутренней среды организма (например, гормо­
нального фона) и условий окружающей среды.
М еханизмы реализации генетической информации.
Чтобы понять механизмы реализации генетической информации,
необходимо дополнить центральную догму молекулярной биологии.
Генетическая информация, записанная в виде определенной последо­
вательности нуклеотидов молекулы ДНК, обеспечивает синтез опреде­
ленного белка-фермента, который катализирует течение соответст­
вующей биохимической реакции, в результате чего проявляется при­
знак. Геномный уровень организации генетического материала обеспе­
чивает взаимодействие аллельных и неаллельных генов. Следователь­
но, проявление действия конкретного гена зависит от других генов.
Они могут влиять непосредственно на данный ген через взаимодейст­
вие белков-ферментов, кодируемых этими генами, изменять течение
биохимических реакций и, тем самым, влиять на проявление данного
признака. В свою очередь данный ген может влиять на реализацию
действия других генов. На реализацию действия гена влияют факторы
внешней среды, которые могут изменять структуру молекул ДНК, иРНК, белков-ферментов, течение биохимических реакций и, следова­
тельно, — фенотипические проявления генов.
Механизм дифференцировки стволовых клеток можно представить
следующим образом. Недифференцированные клетки имеют разный
химический состав цитоплазмы, то есть разные индукторы, которые
включают в работу разные блоки генов (транскриптоны), что приводит
к синтезу разных белков-ферментов. Разные ферменты катализируют
различные биохимические реакции. Таким образом в разных клетках
идет синтез разных типо- и тканеспецифических белков, вследствие
чего образуются разные типы клеток, т. е. постепенно химическая раз ­
нородность цитоплазмы клеток переходит в морфологические отличия.
Условно гены можно разделить на три группы:
а)
функционирующие во всех клетках (например, гены, кодирую­
щие ферменты энергетического обмена);
60
функционирующие в клетках одной ткани (например, гены, деерминирующие синтез миозина в мышечной ткани);
и) специфичные для одного типа клеток (например, гены гемогло­
бина в незрелых эритроцитах). Таким образом, главный механизм
^фференцировки клеток - блокировка и деблокировка транскрипто­
нов на определенных этапах развития клеток.
Ц итоплазм атическая наследственность
Наряду с ядерными генами, локализованными в хромосомах, обнару­
жены факторы наследственности, находящиеся в цитоплазме. Их называют
плазмагшами (плазмидами). Химическую основу плазмагенов составля­
ют молекулы ДНК; ДИК содержат пластиды, митохондрии и некоторые
другие органоиды. В цитоплазме могут находиться также чужеродная
ДНК вирусов и плазмиды бактерий. Внеядерная ДНК способна репли­
цироваться независимо от репликации хромосом, но под контролем
ядерных генов. Цитоплазматическое наследование идет по материнской
линии, т. е. через цитоплазму яйцеклетки, так как сперматозоид почти не
содержит ее.
Возможными критериями цитоплазматической наследственности яв­
ляются:
♦ отсутствие количественного менделевского расщепления в потомст­
ве;
♦ невозможность выявления сцепления;
♦ различие результатов реципрокных скрещиваний.
Выделяют следующие основные виды цитоплазматической наследст­
венности: пластидную, митохондриальную и псевдоцигоплазматическую.
Открытие пластидной наследственности принадлежит К. КорренСУ (1908), описавшему пестролистность у растения "ночная красавица".
У пестролистных растений часть пластид неспособна образовывать хло­
рофилл. Пластиды при митозе распределяйся между дочерними клетка­
ми неравномерно. Часть клеток получает только нормальные пластиды
(листья будут зеленые), часть - только аномальные (листья будут белые,
Растение без хлорофилла погибнет) и часть - нормальные и аномальные
Пластиды (листья будут пестрые - зеленые с белыми пятнами).
М итохондриальная наследственность описана Б. Эфрусси (1949).
н обнаружил, что около 1% хлебных дрожжей дают карликовые ко­
лонии. Оказалось, что клетки карликовых колоний не имеют в миго*°нДриях дыхательных ферментов вследствие мутации плазмагенов и
П0ЭТ|
ому растут очень медленно. Гены, кодирующие дыхательные фер­
61
менты, находятся в кольцевых молекулах ДНК митохондрий. Длина каж­
дой такой молекулы - примерно 15 ООО пар нуклеотидов. Расчеты показали,
что объем собственной наследственной информации митохондрий недос­
таточен для воспроизведения всей совокупности РНК и белков органоида.
Многие белки включаются в структуру митохондрий, будучи запрограм­
мированными ядерными генами.
Геном митохондрий человека представлен кольцевой молекулой ДНК,
содержащей 16 569 пар нуклеотидов. В состав генома входят гены р-РНК,
22 различных т-РНК, субъединиц I, II и III оксидазы цитохрома с, субъе­
диниц 6 -АТФазы, цитохрома b и других белков. ДНК митохондрий имеет
очень мало некодирующих участков; транскрибируются обе ее цепочки.
Имеются данные о том, что некоторые наследственные болезни человека
обусловлены мутациями митохондриальных генов (митохондриальная
цитопатия, болезнь Лебера, синдром Альморга и др.).
В цитоплазме бактерий обнаружены автономно расположенные плаз­
миды, состоящие из кольцевых молекул двухцепочечной ДНК. Они обу­
словливают устойчивость бактерий к лекарствам (антибиотикам), про­
граммируют синтез некоторых ядов (гемолизин, энтеротоксин). Плазми­
ды обеспечивают также обмен генетической информацией между микро­
организмами. Внехромосомные молекулы ДНК широко используются в
генной инженерии, так как они способны включать генетический мате­
риал хромосом и переносить его в другие клетки.
П севдоцитоплазматическая наследственность обусловлена попа­
данием в цитоплазму клеток участков чужеродной ДНК, т. е. своего рода
внутриклеточным паразитизмом. Так, у некоторых линий мух дрозофил
имеется повышенная чувствительность к углекислому газу. Установлено,
что эта особенность обусловлена передачей через цитоплазму яйца осо­
бых вирусов.
У мышей описаны линии с "наследственной" предрасположенностью
к развитию рака молочной железы. При детальном изучении этого явле­
ния оказалось, что предрасположенность передается не через половые
клетки, а через молоко, в котором содержится вирус (фактор молока).
Если новорожденных мышат "раковой" линии вскармливает самка "нор­
мальной" линии, они остаются здоровыми. Если же мышат "нормальной
линии вскармливает самка "раковой" линии, то у последних р а з в и в а е т с я
рак молочной железы.
62
Генная инженерия
На основании достижений молекулярной биологии, биохимии и генетцки в последние десятилетия интенсивно развивается новое направление репная инженерия, целью которой является конструирование генетическйХ структур по заранее намеченному плану, создание организмов с но­
вой генетической программой путем переноса генетической информации
из одного организма в другой.
Методы генной инженерии были разработаны в 60-70-х годах про­
шлого столетия. Они включают следующие основные этапы:
♦ получение генетического материала;
4 включение этого материала в автономно реплицирующуюся генети­
ческую структуру (векторную молекулу) и создание рекомбинантной
ДНК;
♦ введение рекомбинантных молекул ДНК и клетку-реципиент и
включение ее в хромосомный аппарат;
♦ отбор трансформированных клеток, в геном которых включен перено­
симый ген.
Впервые искусственный ген аланиновой т-РНК, состоящий из 77
пар нуклеотидов, был синтезирован индийским ученым Г. Корана
(1970). В 1976 г. был синтезирован ген тирозиновой т-РНК, состоящий из
структурной и регуляторной частей (промотор и терминатор), который при
введении в бактериальную клетку нормально функционировал. Однако хи­
мическим способом удается синтезировать только небольшие по размеру
гены прокариот.
Синтез сложных генов осуществляют с помощью процессов образ ной
транскрипции, в основе которых лежит метод ферментативного синтеЗа- Выделяют и-РНК, и на ней, как на матрице, с помощью фермента
ревертазы синтезируют комплементарную ей нить ДНК, которую за­
тем реплицируют (фермент ДНК-пол имераза). Гены, синтезированные
с помощью ревертазы, не имеют регуляторной части и промотора и
вследствие этого не могут функционировать в животных клетках. При
переносе в бактерию к структурным генам присоединяют промотор
Ёуобиой клетки, после чего транскриптон начинает работать.
Выделять необходимые для пересадки гены можно с помощью ферДмЗЭР рестриктаз. В 1974 г. бы ли открыты ферменты рестриктазы,
ЩВсобные узнавать определенные последовательности нуклеотидов и
симметричные, расположенные наискось друг от друга разрывы в
на Равных расстояниях от центра узнавания. В результате на
Пах каждого фрагмента расщепленной ДНК образуются короткие
одноцепочечные участки, называемые "липкими концами". К настоя,
щему времени выделено свыше 200 различных рестриктаз, разрываю
молекулы ДНК с разной последовательностью нуклеотидов.
Полученные различными способами гены соединяются с векторными
лекулами, которыми могут служить плазмиды бактерий, липосомы, фаги и
вирусы. Фаги и вирусы передают генетическую информацию посредством
трансдукции. Кольцевая молекула ДНК плазмиды разрывается той же реетриктазой, что и выделяемый ген. В области разрыва образуются "липкие кон­
цы", комплементарные "липким концам" пересаживаемого гена Фермент
лигаза сшивает "липкие концы" гена и плазмиды. Получается рекомбинант­
ная молекула ДНК, которая обладает способностью проникать в клеткуреципиент. Комбинируя различные рестриктазы и лигазы, можно разрезать
нить ДНК в разных местах и получать рекомбинантные молекулы.
Так как рекомбинированные молекулы ДНК попадают не во все клегки, то с помощью специальных методов (чаще всего на селективных пита­
тельных средах) осуществляют отбор трансформированных клеток (с
перенесенным геном). В дальнейшем проводят клонирование — раз­
множение клеток с рекомбинантной ДНК — и получают клон клеток с за­
данными свойствами.
Объединение чужеродных генов в одной клетке чревато опасными послед­
ствиями. Плазмиды способны соединягься в любых комбинациях независимо
от видовых и иммунологических барьеров. Конструирование новых разно­
видностей болезнетворных бактерий, устойчивых к лекарственным препара­
там, может привести к возникновению серьезных эпидемий. В 1973 г. была
проведена первая международная конференция по предупреждению опасных
последствий генной инженерии. Опыты на время были запрещены. В 1975 г.
Р. Кертис получил мутант кишечной палочки, нежизнеспособный в естествен­
ных условиях в связи с нарушением синтеза оболочки. Безопасная для чело­
века и животных бактерия можег жить только в лабораторных условиях. Это
позволило возобновить опыгы по генной инженерии. Такие исследования
проводятся в специальных сгрого изолированных лабораториях с обязатель­
ным соблюдением определенных мер безопасности.
Дальнейшее развитие генной инженерии базируется на с л е д у ю щ и х
достижениях молекулярной биологии:
♦ возможность вызывать с помощью химических мутагенов с п е ц и ф и ­
ческие мутации в определенных генных локусах;
♦ возможность передавать генетическую информацию у эукариот неполовым путем (трансформация или трансдукция), что позволит прово­
дить генную терапию соматических заболеваний;
64
+ возможность заменять дефектные гены, используя в качестве переЕрсчиков вирусы, липосомы и др.
+ возможность включать в геном человека искусственно синтезированные
геныГенная инженерия - интенсивно развивающееся и перспективное на­
п р а в л е н и е генетики. Методами генной инженерии в промышленных мас­
штабах уже получены клоны клеток кишечной палочки, способные про­
дуцировать соматотропин, инсулин, интерферон и др. Обычно эти пре­
п а р ат ы получают из соответствуюпщх тканей животных. Преимущество
П репаратов, полученных методами генной инженерии, заключается в воз­
можности их синтеза в достаточных количествах, в биохимической чистоте
Иабсолютной стерильности.
Уже созданы растения, способные усваивать атмосферный азот, микро­
организмы, разрушающие углеводороды нефти и синтезирующие из них
пищевые белки. Разработаны методы внесения генов патогенных вирусов в
бактериальные клетки и приготовления из синтезированных ими белков про­
тивовирусных сывороток; проходят клинические испытания методы лечения
некоторых опухолей (например, рака молочной железы), иммунодефицитных
состояний и энзимопатий. В будущем генная инженерия поможет человече­
ству избавиться от ряда наследственных .заболеваний путем пересадки заро­
дышу недостающих генов или замены мутантных генов.
65
Тема 8. ЗА КО Н О М ЕРН О СТИ НАСЛЕДОВАНИЯ.
Основные закономерности наследования были открыты р
Менделем и сформулированы им в 1865 г в работе «Опыты над растц^
тельными гибридами». Эти законы были переоткрыты в 1900 г. Г. де
Фризом, К. Корренсом и Э. Чермаком. В дальнейшем были о п и с а н ^
явления сцепления генов, различные виды их взаимодействия, оказьь
вающие существенное влияние на процесс реализации наследственной
информации. В настоящее время выделяют следующие типы наследо­
вания признаков:
Гибридологический метод Менделя имеет особенности:
1) анализ начинается со скрещивания гомозиготных особей («чист ь 1 е линии»);
2) а н а л и з и р у ю т с я отдельные альтернативные (взаимоисключаю­
щ е ) признаки;
3) проводите точный количественный учет потомков с различной
бинацией признаков (используются математические методы);
К° 4) наследование анализируемых признаков прослеживается в ряду
поколений.
Первый закон М енделя - закон единообразия гибридов первого
Мендель скрещивал чистые линии растений гороха с
желтыми и зелеными семенами (альтернативные признаки). Ч исты е
линии - это организмы, не дающие расщепления при скрещивании с
такими нее по генотипу, т.е. они являются гомозиготными по данному
признаку.
При анализе результатов скрещивания оказалось, что все потомки
(гибриды) в первом поколении одинаковы по фенотипу (все растения
имели горошины желтого цвета) и по генотипу (гетерозиготы). Первый
закон Менделя формулируется следующим образом: при скрещивании
гомозигот ны х особей, анализируемых по одной паре альтернатив­
ных признаков, наблюдается единообразие гибридов первого поко­
ления, как по фенотипу, так и по генотипу.
Р:
АА
х
аа
G:
(А)
(а)
F,
Аа
Второй закон М енделя - закон расщепления. При скрещивании
гибридов первого поколения между собой (т.е. гетерозиготных особей)
получается следующий результат:
P(F():
Аа
х
Аа
G:
(А)
(а)
(А) (а)
Fi
А А, Аа, Аа, аа
Особи, содержащие доминантный ген А, имеют желтую окраску
СеМян, а содержащие оба рецессивных - зеленую. Следовательно, отн°шение особей по фенотипу (окраске семян) - 3:1 (3 части с домиЭДтным признаком и 1 часть - с рецессивным). По генотипу: 1 часть
°собей - желтые гомозиготы (АА), 2 части - желтые гетерозиготы (Аа)
р
асть - зеленые гомозиготы (аа). Второй закон Менделя формулиг0 °Я Так: пРи скрещивании гибридов первого поколения (гетерозиЫх организмов), анализируемых по одной паре альтернатив­
поколения. Г.
Законы М енделя и условия их проявления. Мендель открыл за­
кономерности наследования, проводя гибридизацию различных сортов
гороха. Гибридизация - это скрещивание особей с различными гено­
типами. Скрещивание, при котором у родительских особей учитывает­
ся одна пара альтернативных признаков, называется м о н о г и б р и д н ы ^
две пары признаков - дигибридным, более двух пар - п о л и г и б р и Д '
ным.
66
67
ных признаков, наблюдается расщепление в соотношении 3:1 по
фенотипу и 1:2:1 по генотипу.
Изучив наследование одной пары аллелей, Мендель решил просле­
дить наследование двух признаков одновременно. Для этой цели он
использовал гомозиготные растения гороха, отличающиеся по двум
парам альтернативных признаков: семена желтые гладкие и зеленые
морщинистые. В результате такого скрещивания в первом поколении
он получил растения с желтыми гладкими семенами. Этот результат
показал, что закон единообразия гибридов первого поколения проявля­
ется не только при моногибридном, но и при полигибридном скрещи­
вании, если родительские формы гомозиготны.
Затем он скрестил гибриды первого поколения между собой. Для
анализа результатов полигибридного скрещивания обычно используют
решетку Пеннета. В результате свободного комбинирования гамет в
зиготы попадают гены в разных комбинациях.
Легко подсчитать, что по фенотипу потомство делится на 4 группы:
•
9 частей растений с горошинами желтыми гладкими (А-В-),
•
3 части - с желтыми морщинистыми (А-вв),
•
3 части - с зелеными гладкими (ааВ-),
•
1 часть - с зелеными морщинистыми (аавв),
т.е. расщепление 9:3:3:1, или (3+1)2.
Отсюда можно сделать вывод, что при скрещивании гетерозигот­
ных особей, отличающихся по нескольким парам альтернативных при­
знаков, в потомстве наблюдается расщепление по фенотипу в соотно­
шении ( 3 + 1)", где п — число признаков в гетерозиготном состоянии.
P(F 1): АаВЬ х АаВЬ
аЬ
аВ
АЬ
АВ
С?/9
ААВЬ
ААВЬ
ААЬЬ
АаВВ
АаВЬ
АаВЬ
Aabb
аВ
АаВВ
АаВЬ
ааВВ
ааВЬ
ab
АаВЬ
Aabb
ааВЬ
aabb
АВ
ААВВ
АЬ
Если проанализировать расщепление по каждой из пар альтерна­
тивных признаков (желтый и зеленый цвет, гладкая и морщинистая
поверхность), то получится: 9 + 3 желтых и 3 + 1 зеленых, соотноше­
ние 12:4 или 3:1. Следовательно, при дигибридном скрещивании каж­
дая пара признаков в потомстве дает расщепление независимо от дру­
гой пары. Это является результатом случайного комбинирования генов
(и соответствующих им признаков), что приводит к новым сочетаниям,
68
которых не было у родительских форм. В нашем пример®исходные
формы гороха имели семена желтые гладкие и зеленые морщинистые,
а во втором поколении получено не только такое сочетаниенцмзнаков,
как У родителей, но и растения с желтыми морщинистыми ^зелеными
гладкими семенами.
Отсюда вытекает третий закон М енделя - закон нядогсимого
комбинирования признаков: при скрещивании гомозиготах орга­
низмов, анализируемых по двум (или более) парам альтерМ'пивных
признаков, во втором поколении наблюдается независим® комби­
нирование признаков и соответствующих им генов раш* аллель­
ных пар. Это обусловлено генным уровнем организации наследствен­
ного материала.
Для объяснения результатов скрещивания, проведенного Г Менде­
лем, У- Бэтсон (1902 г.) предложил гипотезу «чистоты гамет. Ее мож­
но свести к следующим двум основным положениям:
1) у гибридного организма гены не гибридизируются (№смешива­
ются), а находятся в чистом аллельном состоянии и
2) вследствие расхождения гомологичных хромосом и чроматид
при мейозе из каждой пары аллелей в гамету попадает толь*®один ген.
Законы Менделя носят статистический характер (выполняются на
большом количестве особей) и являются универсальными, т.е. ПРИ по~
ловом размножении они присущи всем живым организмам. JM прояв­
ления законов Менделя необходимо соблюдать ряд условий:
1) гены разных аллельных пар должны находиться в разный хромо­
сомах;
2) между генами не должно быть сцепления и взаимодействия (кро­
ме полного доминирования);
3) должна быть равная вероятность образования гамет и шгот раз­
ного типа и равная вероятность выживания организмов с разыми ге­
нотипами (не должно быть летальных генов);
4) должна быть 100% пенетрантность гена, отсутствовать плейотропное действие и мутации гена.
Отклонения от ожидаемого расщепления по законам Менделя вы­
зывают летальные гены. У человека так наследуется доминантный ген
брахидактнлии (короткие толстые пальцы). У гетерозигот наблоДается
брахидактилия, а гомозиготы по этому гену погибают на раинИХ стаэмбриогенеза. У человека имеется ген нормального гемоглобина
'^®А) и ген серповидно-клеточной анемии (H bS). Г етерози готы по
генам жизнеспособны, а гомозиготы по HbS погибают в раннем
69
детском возрасте (гемоглобин S не способен связывать и переносить
кислород).
Моногибридное скрещ ивание. Решение типовых задач
Задача 1. У человека карий цвет глаз доминирует над голубым. Г0.
лубоглазый мужчина женился на кареглазой женщине, у отца которой
глаза были голубые, а у матери - карие. От этого брака родился ребенок, глаза которого оказались карими. Каковы генотипы всех упомяну.
Признак
Карий цвет глаз
Голубой цвет глаз
Ген
А
а
Генотип
АА, Аа; или Ааа
Решение. Оформляем условие задачи в виде таблицы: Голубоглазый
мужчина гомозиготен (генотип аа), гак как голубой цвет глаз - рецес­
сивный признак. Кареглазая женщина может быть как гомо- (генотип
АА), так и гетерозиготной (генотип Аа), ибо карий цвет глаз домини­
рует. Но от своего голубоглазого (и, следовательно, гомозиготного)
отца она могла получить только рецессивный ген, поэтому женщина
гетерозиготна (генотип Аа). Ее кареглазый ребенок тоже не может
быть гомозиготным, так как его отец имеет голубые глаза.
Генетическая схема брака:
Р. Аа х аа
F|
Аа
Таким образом, генотип мужчины аа, женщины - Аа, генотип ее ре­
бенка - Аа.
Задача 2. Фенилкетонурия (нарушение обмена фенилаланина, в ре­
зультате которого развивается слабоумие) наследуется как аутосомнорецессивный признак. Какими будут дети в семье, где родители гете­
розиготны по этому признаку? Какова вероятность рождения детей ,
больных фенилкетонурией?
Ген
Признак
Норма
Фенилкетонурия
А
а
70
Генотип
Ааа
Р. Аа
х
Аа
G. (А) (а)
(А) (а)
Fi
АА, 2Аа, аа
В брак вступают гетерозиготные родители Аа и Аа. Фенотипически
оНи здоровы. При браках гетерозиготных родителей вероятны геноти­
пы детей: АА - 25%, Аа - 50%, аа - 25%. Следовательно, вероятность
рождения здоровых детей равна 75% (из них 2/3 гетерозиготы), веро­
ятность рождения детей, больных фенилкетонурией, - 25%.
Задача 3. Альбинизм - наследственная аутосомно-рецессивная па­
тология. Женщина-альбинос вышла замуж за здорового мужчину и
родила ребенка альбиноса. Какова вероятность, что второй ребенок
тоже окажется альбиносом?
Признак
Ген
Норма
Альбинизм
Генотип
А
а
Ааа
Так как женщина больная, то ее генотип аа. Ее муж - здоровый
мужчина. Он может быть гомозиготным и гетерозиготным, но так как
у этой супружеской пары родился больной ребенок, то мужчина дол­
жен быть гетерозиготен по гену А.
Запишем генетическую схему этого брака;
Р.
аа
х
Аа
G.
(а)
(А) (а)
F1
Аа;
аа
Даже если в этой семье уже имеется больной ребенок, вероятность
рождения следующего ребенка больным сохраняется и составляет
50%, так как соотношение гамет не изменяется.
Задача 4. У человека доминантный ген I) вызывает аномалию раз­
вития скелета - черепно-ключичный дизостоз (изменение костей чере­
па и редукция ключиц). Здоровая женщина вышла замуж за мужчину с
ЧеРепно-ключичным дизостозом. Ребенок имел нормальное строение
скелета. Можно ли по фенотипу ребенка определить генотип его отца?
£щ ение. Оформляем условие задачи в виде таблицьс__
Гт-г
!
Признак
Ген
Генотип
Дизостоз
D
DНорма
d
dd
71
Генотипы женщины и ребенка нам известны: они гомозиготы r,Q
рецессивному признаку — dd. Отец имеет доминантный признак, n0s
этому он может быть гомозиготным или гетерозиготным по данному
признаку и иметь либо генотип DD, либо Dd. Так как ребенок имеег
рецессивный признак, то один ген d он обязательно должен получить
от отца, значит отец гетерозиготен.
Генетическая схема брака:
P.
dd
х Dd
F)
dd
Таким образом, генотип отца — Dd.
Полигибридное скрещивание. Решение типовых задач
Задача 1. У человека карий цвет глаз доминирует над голубым, а
способность лучше владеть правой рукой доминирует над леворуко­
стью, причем гены обоих признаков находятся в негомологичных хро­
мосомах. Кареглазый правша женится на голубоглазой левше. Какое
потомство в отношении указанных признаков следует ожидать в такой
семье? Рассмотрите два случая: когда юноша гомозиготен и когда ге­
терозиготен по обоим признакам.
Признак
Карие глаза
Голубые глаза
Правша
Левша
Ген
Г енотип
А
а
В
b
Ааа
Вbb
P. aabb
х
ААВВ,
G.
(аЬ)
(АВ)
F|
АаВЬ
Голубоглазая девушка-левша гомозиготна по обоим признакам, так
как они рецессивные; ее генотип мы можем записать так: aabb. I енотип гомозиготного кареглазого юноши правши ААВВ. У девушки об­
разуется один тип гамет - аЬ, у юноши тоже образуется один тип гаме1,
- АВ. Их слияние дает зиготу АаВЬ. Следовательно, все потомки окажутся по фенотипу кареглазыми правшами.
P. aabb
х
АаВЬ
G. (аЬ)
(АВ) (АЬ) (аВ) (аЬ)
F, АаВЬ, Aabb, ааВЬ, aabb
Если же юноша гетерозиготен по обоим признакам, то его генотип
даБЬ.
у него при мейозе возможно образование гамет 4-х типов: АВ, аВ,
дЬ, аЬ. В результате слияния каждой из этих гамет с гаметой голубо­
г л а зо й левши аЬ образуется 4 типа зигот: АаВЬ (кареглазый правша),
aabb (голубоглазый левша), Aabb (кареглазый левша), ааВЬ (голубогла­
зы й правша).
Задача^ Отец с курчавыми волосами (доминантный признак) и без
веснушек и мать с прямыми волосами и с веснушками (доминантный
признак) имеют троих детей. Все дети имеют веснушки и курчавые
волосы. Определите генотипы родителей и детей.
х
Решение. Оформляем условие задачи в виде таблицы:
Признак
Ген
Г енотип
Веснушки
А
АОтсутствие веснушек
а
аа
Курчавые волосы
В
ВПрямые волосы
Ь
ьь
Р. А- ЬЬ
х
ааВF,.
3 А-ВТак как мать имеет два рецессивных гена ЬЬ, то один из них она
обязательно должна передать своему ребенку, значит, в генотипе детей
есть такой ген.
Так как отец имеет два рецессивных гена аа, то один из них он обя­
зательно должен передать своим детям, значит, в генотипе дегей есть
такой ген. Дети будут дигетерозиготны (АаВЬ). Установить точно ге­
нотипы родителей не представляется возможным, но так как все дети
имеют одинаковый генотип (единообразие первого поколения), то, ве­
роятно, родители гомозиготны по двум этим признакам и имеют гено­
типы: ААЬЬ и ааВВ.
Р&Вача_3. У человека карий цвет глаз доминирует над голубым, а
Р-мный цвет волос доминирует над светлым цветом волос. Гены обоих
“РИзнаков находятся в разных парах хромосом. У голубоглазого тем­
новолосого отца и кареглазой светловолосой матери родилось четверо
Р*еЙ, каждый из которых отличается друг от друга по указанным ири­
с а м . Определите генотипы родителей.
73
Решение. Оформляем условие задачи в виде таблицы:
Признак
Карие глаза
Голубые глаза
Темный цвет волос
Светлый цвет волос
Генотип
Ген
АА
аа
а
ВВ
bb
b
Каждый из родителей имеет один доминантный признак и один ре„
цессивный признак, поэтому их генотипы следующие: отец ааВ-, мать
А-ЬЬ.
Так как их четверо детей отличаются друг от друга, то значит их
фенотипы и генотипы таковы:
- первый ребенок — кареглазый темноволосый (А-В-);
- второй ребенок — кареглазый светловолосый (А-ЬЬ);
- третий ребенок — голубоглазый темноволосый (ааВ-);
- четвертый ребенок — голубоглазый светловолосый (aabb).
Зная генотип четвертого ребенка, можно установить генотипы ро­
дителей, так как каждый из них должен передать этому ребенку по од­
ному рецессивному гену каждой аллели: аЬ.
Таким образом, генотип отца —- ааВЬ, генотип матери — Aabb.
М ножественные аллели, плейотропин, летальн ы е гены, пенетрантность. Решение типовых задач
Задача 1. Хондродистрофия (нарушение развития скелета) в боль­
шинстве случаев зависит от доминантного гена с полной пенетрантностью, причем гомозиготы по этому гену погибают до рождения. Суп­
руги больны хондродистрофией. Определите вероятность рождения у
них здорового ребенка.
Решение. Оформляем условие задачи в виде таблицы:
Признак
Генотип
Ген
Хондродистрофия
Хондродистрофия и внутриутробная гибель
| Нормальное развитие скелета
А, а
А, А
а
Аа
АА
аа
Из условия задачи известно, что гомозиготы АА погибают внугрч'
утробно, следовательно, супруги будут гетерозиготны по гену хонДрИ
дистрофии.
Запишем генетическую схему брака:
74
Р.
G.
F|
Аа
х
Аа
(А) (а)
(А) (а)
АА,
2Аа,
аа
погибают больны здоровы
Вероятность рождения здорового ребенка составляет 1/3 или 33,3%
Зщ ча_2, Группа крови - наследственный признак, детерминиро­
геном, который имеет не две, а три аллели (множественный
аллелизм), обозначаемые как 1А, 1в и 1°. Лица с генотипом 1°1° имеют
первую группу крови, с генотипами 1Л1А или ]А1° — вторую, с геноти­
пами I I или I I — третью, а с генотипом 1А1В— четвертую (аллели 1А
и 1в кодоминантны и доминируют над аллелью 1°). Какие группы крови
возможны у детей, если у их матери - вторая группа, а у отца - первая?
в ан ны й
Признак
I (0 ) группа крови
Ген
1°
Г енотип
IT
II (А) группа крови
1А
lAlA, iAi°
1в
1А и 1в
lBlB, iBi°
iAiB
III (В) группа крови
IV (АВ) группа крови
Р.
А тА
Г1
(1А)
1°,°
Р.
1Т
X IT
G. (IA) ( I D)
(1°)
1АГ
Н ,
F,
]AI° 1°1||
Ть со 1 *~ой группой крови может быть либо гомозиготной, либо
ерозиготной. в перВом случае ребенок будет иметь II группу крови
втором случае - II или I группы.
G.
F,.
( 1°)
аугосЙГ
Ангиоматоз сетчатки глаза детерминирован доминантным
«ость Г ЫМ ГеН° М’ пеиетРантность которого - 50%. Какова вероятРУгаг Процентах) Рождения больного ребенка в семье, где оба суп^ерозиготн ы по данному гену?
Признак
Шизофрения
Норма
Ген
Генотип
А
а
Ааа
Генетическая схема брака:
Р.
Аа
х
Аа
G.
(А) (а)
(А) (а)
Fj.
АА, 2Аа, аа
Вероятность того, что дети в семье будут с ангиоматозом, равна 3/4
Но заболевание проявится лишь у 50% (1/2) детей, имеющих ген ангиоматоза, и вероятность их рождения составит 3/4 х 1/2 = 3/8 или
37,5%.
Задача 4. По данным шведских генетиков, некоторые формы ши­
зофрении наследуются как аутосомно-доминантные признаки. У гомо­
зигот пенетрантность гена равна 100%, а у гетерозигот — 20 %. Определите вероятность рождения больных детей в семье, где оба родителя
гетерозиготны.
Признак
Ген
Г енотип
АА
Ангиомагоз сетчатки
аа
а
Норма
_ :________________________ .______ .__ , ________
1_
Запишем генетическую схему брака:
Р.
Аа
х
Аа
G.
(А) (а) (А) (а)
Fi А А, Аа, Аа, аа
Вероятность рождения гомозиготного по доминантному признаку
ребенка составляет 25%. Пенетрантность гена у гомозигот 100%, по­
этому все они будут больны шизофренией.
Вероятность рождения гетерозиготного ребенка составляет 50% .
Пенетрантность гена у гетерозигот — 20% , поэтому только 1/5 часть
таких детей будет больна шизофренией, а именно, 10% (0,5 х 0,2 = 0,1)’
Таким образом, вероятность рождения больного ребенка у данных
родителей составляет 35 % (все гомозиготы по доминантному призна­
ку, а их 25% от всего потомства + 10% (1/5 часть гетерозигот, а их 50%,
от всего потомства)).
Тема 9. ВЗАИМ ОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ. СЦЕПЛЕННОЕ
НАСЛЕДОВАНИЕ
Отклонение от законов Менделя вызывают и различные виды взаи­
модействия генов (за исключением полного доминирования). Оно объ­
я с н я е т с я геномным уровнем организации наследственного материала,
р а з л и ч а ю т взаимодействие аллельных и неаллельных генов.
Взаимодействие аллельны х генов. Взаимодействие аллельных ге­
нов называется внутриаллельным. Выделяют следующие его виды:
полное доминирование, неполное доминирование, сверхдоминирова­
ние и кодоми-нирование.
При полном доминировании один ген полностью подавляет про­
явление другого гена (выполняются законы Менделя), при этом гомо­
зиготы по доминантному признаку и гетерозиготы фенотипически не­
отличимы. Например, ген желтого цвета семян гороха полностью по­
давляет ген зеленой окраски, ген карего цвета глаз у человека подавля­
ет ген голубой их окраски.
При неполном доминировании (промежуточном наследовании)
доминантный ген не полностью подавляет проявление действия рецес­
сивного гена. У гибридов первого поколения наблюдается промежу­
точное наследование, а во втором поколении - расщепление по фено­
типу и генотипу одинаково 1 :2:1 (проявляется доза действия генов).
Например, если скрестить растения душистого горошка с красными и
белыми цветами первое поколение будет иметь розовые цветки. Гене­
тическая запись:
ген
признак
А
Красный цвет
а
Белый цвет
Аиа
Розовый цвет
Р.
Аа х Аа
G. (А) (а) (А) (а)
Fi. АА; Аа; Аа; аа
11
]: 2 : 1 по фенотипу и генотипу
При сверхдоминировании доминантный ген в гетерозиготном со­
стоянии проявляет себя сильнее, чем в гомозиготном. У мухи дрозо­
филы имеется рецессивный летальный ген (а) - гомозиготы (аа) погиК т . Мухи, гомозиготные по гену А (АА) имеют нормальную жизнесПособность, а гетерозиготы (Аа) - живут дольше и более плодовиты,
ЧеМдоминантные гомозиготы. Объяснить это можно взаимодействием
77
продуктов генной активности.
При кодоминировании гены одной аллельной пары равнозначны
ни один из них не подавляет действия другого; если они оба находятся
в генотипе, оба проявляют свое действие. Типичным примером код0.
минирования является наследование групп крови человека по АВО(группа АВ) и MN- (группа MN) системам. Одновременное присутст­
вие в генотипе генов JA и JB обусловливает наличие в эритроцитах ан­
тигенов А и В (IV группа крови). Гены JA и JB не подавляют друг друга
- они являются равноценными, кодоминантными.
Своеобразные внутриаллельные взаимодействия наблюдаются в
случаях множественных аллелей. Множественными называются ал­
лели, которые представлены в популяции более чем двумя аллельными
состояниями. Они возникают в результате многократного мутирования
одного и того же локуса хромосомы. В этих случаях помимо доми­
нантного и рецессивного генов появляются еще и промежуточные ал­
лели, которые по отношению к доминантному ведут себя как рецес­
сивные, а по отношению к рецессивному, как доминантные. Например,
три гена J°, JA и JB детерминируют наследование четырех групп крови
человека по АВО системе антигенов.
Взаимодействие неаллельны х генов. Взаимодействие неаллель­
ных генов называется меж аллельны м. Различают следующие его ви­
ды: комплементарность, эпистаз и полимерию.
При комплементарности присутствие в одном генотипе двух до­
минантных (рецессивных) генов из разных аллельных пар приводит к
появлению нового варианта признака.
Типичный пример - развитие слуха у человека. Для нормального
слуха в генотипе человека должны присутствовать доминантные гены
из разных аллельных пар - D и Е. Ген D отвечает за нормальное разви­
тие улитки, а ген Е - за развитие слухового нерва. У рецессивных го­
мозигот (dd) будет недоразвита улитка, а при генотипе ее — недораз­
вит слуховой нерв. Люди с генотипами D-ee, ddE- и ddee будут глухи­
ми.
При эпистазе доминантный (рецессивный) ген из одной а л л е л ь н о й
пары подавляет действие доминантного (рецессивного) гена из другой
аллельной пары. Это явление противоположно комплементарности.
Подавляющий ген называется супрессором (ингибитором). У кур до­
минантный ген С детерминирует синтез пигмента, а доминантный ал­
лель другого гена I является его супрессором, и куры с генотипом С-1'
имеют белое оперение.
у человека описан «бомбейский феномен» в наследовании групп
крови по АВО системе. У женщины, получившей от матери аллель JB,
фенотипически определялась 1(0) группа крови. При детальном иссле­
довании было установлено, что действие гена JB (синтез в эритроцитах
антигена В) было подавлено редким рецессивным геном, который в
гомозиготном состоянии оказал эпистатическое действие.
При полимерии доминантные гены из разных аллельных пар влияjot на степень проявления одного и того же признака. Полимерные ге­
ны принято обозначать одной буквой латинского алфавита с цифровы­
ми индексами, например, A]AjA 2A 2a3a3 и т.д. Признаки, детермини­
руемые полимерными генами, называются полигенными. Таким обра­
зом, наследуются многие количественные и некоторые качественные
признаки у животных и человека: рост, масса тела, величина артери­
ального давления, цвет кожи и др. Степень проявления этих признаков
зависит от количества доминантных генов в генотипе (чем их больше,
тем сильнее выражен признак) и в значительной мере от влияния усло­
вий среды. У человека может наблюдаться предрасположенность к
различным заболеваниям: гипертонической болезни, ожирению, са­
харному диабету, шизофрении и др. Данные признаки при благоприят­
ных условиях среды могут и не проявиться или быть слабо выражен­
ными. Это отличает полигенно наследуемые признаки от моногенных.
Изменяя условия среды и проводя профилактические мероприятия
можно значительно снизить частоту и степень выраженности некото­
рых мультифакториальных заболеваний. Суммирование «доз» поли­
мерных генов (аддитивное действие)
и влияние среды обеспечивает существование непрерывных рядов
количественных изменений. Минимальное количество полимерных
генов, при котором проявляется признак, называется пороговым эф­
фектом.
Сцепленное наследование.
У. Сэттон и Р. Пеннет в 1908 г. обнаружили отклонения от свобод­
ного комбинирования признаков согласно третьему закону Менделя. В
1911-19 12г.г. Т. Морган и сотр. описали явление сцепления генов - со­
вместную передачу группы генов из поколения в поколение. Опыты
Проводились на мухах дрозофилах с учетом двух пар альтернативных
признаков - серый и черный цвет тела, нормальные и короткие крылья,
фи скрещивании гомозиготных особей с серым телом и нормальными
Крыльями с особями с черным телом и короткими крыльями получено
79
единообразие гибридов первого поколения, особи которого имели д
минантные признаки:_________
Ген
Фен
В
Серое тело
b
Черное тело
V
Нормальные крылья
V
Короткие крылья
Р: BBVV х bbw
G:
(BV)
(bv)
F,:
BbVv
Для выяснения генотипа гибридов I поколения Морган провел ана­
лизирующее скрещивание. Он взял рецессивную гомозиготную самку
и скрестил ее с дигетерозиготным самцом, затем провел рецилрокное
скрещивание:
(I)
Р:
G:
FI:
bbw
(bv)
BbVv
50%
х
BbVv
(BV) (bv)
bbw
50%
(II)
P:
G:
BbVv x
bbw
(BV) (BV)
(bv)
(bV) (bv)
FI: BbVv B b w bbVv bbw
41,5% 8,5% 8,5% 41,5%
При свободном комбинировании генов согласно третьему закону
Менделя в поколении должны были появиться мухи четырех разных
фенотипов по 25%. Но гены разных аллельных пар могут находиться в
одной паре гомологичных хромосом.
Одна из пары гомологичных хромосом содержит 2 доминантных
гена (BV), а другая — 2 рецессивных (bv). В процессе мейоза одна
хромосома с генами BV попадет в одну гамету, а другая (с генами bv)
— в другую. Таким образом, у дигетерозиготного организма образует­
ся не четыре, а только два типа гамет и потомки будут иметь такое же
сочетание признаков, как и родители. В данном случае сцепление бу­
дет полным.
При изучении результатов второго скрещивания (II) было обнару­
жено нарушение полного сцепления генов. Если взять дигетерозигот80
ную самку мухи дрозофилы и скрестить ее с рецессивным самцом, то
получается 4 разновидности фенотипов потомков: 41,5% с серым те­
лом и длинными крыльями, 41,5% с черным телом и короткими крыль­
ями и по 8,5% гибридных форм - с серым телом и короткими крыльями
й с черным телом и длинными крыльями. В этом случае сцепление
о к а зы в а е т с я неполным, т. е. происходит перекомбинация генов, лока­
лизованных в одной хромосоме.
Это объясняется кроссинговером - обменом участками гомологич­
ных хромосом в процессе их конъю гации в профазе мейоза I. Каждая
Из образовавшихся хроматид попадает в отдельную гамету. Образуется
четыре типа гамет, но в отличие от свободного комбинирования их
процентное соотношение не будет равным, так как кроссинговер про­
исходит не всегда. Сила сцепления между генами (частота кроссинговера) зависит от расстояния между ними: чем больше расстояние, тем
меньше силы сцепления, тем чаще происходит кроссинговер. Расстоя­
ние между генами определяется по проценту кроссинговера. За едини­
цу расстояния принимается одна морганида (в честь Моргана), кото­
рая равна 1% кроссинговера.
Гаметы, в которые попали хроматиды не претерпевшие кроссинго­
вер, называются некроссоверными, их обычно больше. Гаметы, в ко­
торые попали хроматиды претерпевшие кроссинговер, называются
кроссоверными, их обычно меньше.
Гены, локализованные в одной хромосоме, передаются вместе (сцепленно) и составляют одну группу сцеплении. Так как в гомологич­
ных хромосомах локализованы аллельные гены, группу сцепления со­
ставляют две гомологичные хромосомы и количество групп сцепления
равно количеству пар хромосом (или гаплоидному числу хромосом).
Так, у мухи дрозофилы 8 хромосом - 4 группы сцепления, у человека
46 хромосом - 23 группы сцепления.
Основные положения хромосомной теории наследственности
(Т.Морган и соавт., 1911г.) сводятся к следующему.
1. Г ены расположены в хромосомах в линейном порядке в опреде­
ленных локусах. Аллельные гены занимают одинаковые локусы гомо­
логичных хромосом.
2. Гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сце­
пления и наследуются преимущественно вместе; число групп сцепле­
ния равно гаплоидному набору хромосом.
3. Между гомологичными хромосомами возможен обмен участками
81
- кроссинговер, который нарушает сцепление генов.
4.
Процент кроссинговера пропорционален расстоянию между Ге
нами. 1 морганида - единица расстояния, равная 1% кроссинговера
Зная расстояние между генами можно построить карту хромосом ]
Генетическая карта хромосомы представляет собой отрезок п ' 1
мой, на котором обозначен порядок расположения генов и указ^ j
расстояние между ними в морганидах. Она строится по результатам]
анализирующего скрещивания.
Ц итологическая карта хромосомы представляет собой фотогра.
фию или точный рисунок хромосомы, на котором отмечается последо,
вательность расположения генов. Ее строят на основе сопоставления
результатов анализирующего скрещивания и хромосомных перестроек
Например, если хромосома с доминантными генами будет последова­
тельно терять отдельные локусы (при воздействии на нее мутагенов)
то в гетерозиготе начнут проявляться рецессивные признаки, порядок
появления признаков будет указывать на последовательность распо­
ложения генов. Цитологические карты создаются путем определения
локализации генов в хромосомах.
Картирование хромосом человека связано с определенными труд­
ностями и производится с использованием методов гибридизации со­
матических клеток и ДНК.
В настоящее время завершен I этап международной программы
«Геном человека». Авторы проекта опубликовали следующие данные
об особенностях генома человека.
1. Г ены располагаются в хромосомах достаточно скученно, предпо­
читая собираться в группы, между которыми могут находиться обшир­
ные незанятые области (пустыни). В разных хромосомах находится
различное количество генов (максимум их в 19-ой хромосоме).
2. Общее количество генов в геноме человека - около 30 ООО.
3. Н а один человеческий ген приходится больше р а з н о в и д н о с т е й
белка, чем у других организмов. В то время как у других видов число
различных белков приблизительно равно числу генов, то у человека на
1 ген приходится около трех разновидностей белка.
4. Белки организма человека более сложны, чем белки других орга­
низмов.
5. Более 200 генов напрямую унаследованы нами от бактерий.
6 . Повторяющиеся последовательности Д Н К , которые ранее с ч и т а ­
лись бесполезными, могут оказаться «черным ящиком» эволюции й
поведать нам о предыдущих 800 млн. лет развития органического мй'
82
у Средняя длина повторяющихся последовательностей — 200-300
разовых нуклеотидов.
g Уровень мутаций у мужчин в 2 раза больше, чем у женщин, и
прогрессом человечество обязано мужчинам.
9 . Все представители Homo sapiens на 99,9% идентичны по ДНК.
Ю- Дальнейшее картирование хромосом человека будет иметь
практическое значение: станет возможным с помощью методов генной
инж енерии проводить профилактику и лечение многих наследствен­
ных болезней.
сВоиМ
Взаимодействие генов. Решение типовых задач
Задача 1. Редкий ген а у человека вызывает анофтальмию (отсутст­
вие глазных яблок), его аллель А обусловливает нормальное развитие
глаз, у гетерозигот глазные яблоки уменьшены. Определите расщепле­
ние по фенотипу и генотипу у потомков, если их родители имеют
уменьшенные глазные яблоки.
Решение. Оформляем условие задачи в виде таблицы:
Признак
Нормальные глазные яблоки
Ген
А, А
Уменьшенные глазные яблоки
Анофтальмия
А, а
а
Г енотип
АА
Аа
аа
Р.
Аа
х
Аа
G. (А) (а)
(А) (а)
F,. АА, 2Аа, аа
Расщепление по генотипу и фенотипу 1 : 2 : 1. 25% — нормальные
глазные яблоки, 50% -уменьшенные глазные яблоки, 25% — анофтальмия.
Задача 2 . Серповидноклеточная анемия и талассемия наследуются
Как два признака с неполным доминированием; гены не сцеплены ме­
жду собой и находятся в аутосомах. У гетерозигот по серповиднокле­
точной анемии, так же как и у гетерозигот по талассемии, заболевание
имеет выраженной клинической картины. Но во всех случаях носи­
л и гена талассемии или серповидноклеточной анемии устойчивы к
Малярии. У двойных гетерозигот (дигибриды по обеим парам анализи­
руемых признаков) развивается микродрепаноцитарная анемия (В р,
Эфроимсон, 1968).
Гомозиготы по серповидноклеточной анемии и талассемии в подЭй
ляющем большинстве случаев умирают в детстве.
Определите вероятность рождения совершенно здоровых детей
семье, где один из родителей гетерозиготен по серповидноклеточной
анемии, но нормален по талассемии, а другой — гетерозиготен но та
лассемии, но нормален в отношении серповидноклеточной анемии.
Решение. Оформляем условие задачи в виде таблицы:
Признак
Ген
Г енотип
Серповидноклеточная анемия, тяжёлая фор­
S,S
SS
ма. Устойчивы к малярии, но, как правило,
рано умирают.
Серповидноклеточная анемия, лёгкая форма.
S, s
Ss
Устойчивы к малярии.
Нормальный гемоглобин. Неустойчивы к
S
ssмалярии.
Талассемия, тяжёлая форма. Устойчивы к
Т, Т
тт
малярии, смертность достигает 90-95%.
Талассемия, лёгкая форма. Устойчивы к ма­
T ,t
Tt
лярии.
Норма. Неустойчивы к малярии.
t
tt
Микродрепаноцитарная анемия.
S ,T
SsTt
Определяем генотипы родителей, вступающих в брак: Sstt и ssTt.
P. Sstt
х
ssTt
G. (St) (st)
( s i) (st)
F|. SsTt, Sstt,
ssTt, sstt
Следовательно, вероятность рождения совершенно здоровых детей
(sstt) в этой семье равна 25%.
Задача 3. У некоторых людей эритроцитарные антигены (А и В) мо­
гут быть в слюне. Наличие антигенов А и В в слюне определяется ге­
ном S — секретеры, ген s — несекреторы. При исследовании крови и
слюны 4 членов семьи установлено, что мать имеет антиген В в эрит­
роцитах, но не содержит его в слюне; отец содержит антиген А й в
эритроцитах и слюне; в эритроцитах первого ребенка имеются антиге­
ны А и В, но их нет в слюне; у второго ребенка антигены А и В отсут­
ствуют и в эритроцитах, и в слюне. Определите по возможности гено­
типы всех указанных лиц.
84
[Признак
i (0 ) группа крови
ИГА) группа крови
ТП (В) группа крови
jV (АВ) группа крови
Секретеры
Несекреторы
--- -—
■--------™
Ген
1°
1А
Iе
1А~Р
S
s; S- и 1°
------
Генотип
IT
iAiA, i V
IBIB, IBI°
IAIB
sss; S- I°I°
F, i T s s
I°I°SТак как второй ребенок имеет I группу крови (генотип 1°1°), то в ге­
нотипе каждого из родителей должен быть ген 1°, значит, по группе
крови они гетерозиготы (имеют генотипы ID1° и 1А1°). Т.к. первый ребе­
нок не имеет в слюне антигенов А и В, то в его генотипе есть два ре­
цессивных гена ss, которые он получил от каждого из родителей. Та­
ким образом, генотип матери IBInss, а генотип отца IAI°Ss. Определить
генотип второго ребенка по гену секретор-несектетор невозможно.
Задача 4. «Бомбейский феномен» состоит в том, что в семье, где у
отца I группа крови, матери - III, родилась девочка с I группой крови,
хотя, у нее в генотипе обнаружен ген Р. Она вышла замуж за мужчину,
гетерозиготного по II группе и у них родилось две девочки: первая с
IV, а вторая с I группой крови. Такое явление было объяснено наличи­
ем редкого рецессивного эпистатического гена f, подавляющего про­
явление генов 1д и Iе. Принимая эту гипотезу, установите вероятные
генотипы всех членов этой семьи.
1 Решение. Оформляем условие задачи в виде таблицы:
Признак
Ген
Г енотип
(0) группа крови
Iй, F
1°I°F-, I°I°ff
(0) группа крови
Г, f
(0 ) группа крови
T J
(0) группа крови
iA, 1ь, f
I (А) группа крови
IA, F
И (В) группа крови
F
(АВ) группа крови
Г , Г, F
85
Bi07
i Ai Aff, i Ai° f f
iaiaf-,
i ai °f -
IBIBF-. IBi°FiY f -
Записываем генетическую схему брака родителей девочки:
Р.
1ВГ Fх
I°I°FF|.
IBI°ff— девочка
Так как в генотипе девочки обнаружен ген Is, а она имеет 1 г р у ПГ|у
крови, то у нее есть два рецессивных гена f (ff). Значит, в генотипах ее
родителей будут эти гены: генотип отца !°I°Ff, генотип матери
Генотип девочки IBI°ff, так как ген 1° она получила от своего отца.
Далее записываем генетическую схему брака этой девушки:
Р2
IBI°ff
х IaI°FF2
IaI°F-,
I°I°Ff.
Так как в данном браке в генотипе матери есть два гена ff, то и в ге­
нотипе детей должны быть эти гены, то есть их генотипы: IAIBFf и
I°I°Ff. Установить зиготность отца по гену F невозможно.
Задача 5. В Х-хромосоме человека имеются два (условно обозна­
ченные буквами Н и А) доминантных гена, продукты которых участ­
вуют в свертывании крови. Такую же роль играет аутосомный доми­
нантный ген Р. Отсутствие любого из этих генов приводит к гемофи­
лии.
1. Определите вероятность рождения гемофиликов в семье, где муж
гемизиготен по генам а и h (X1*) и гетерозиготен по гену Р. а жена го­
мозиготна по генам ХА, Хн и гетерозиготна по гену Р.
2. Назовите форму взаимодействия между генами ХЛ, Хн и Р.
3. Какова вероятность проявления гемофилии, сцепленной с полом,
у человека, который получил от отца ген А и h (Х ^1). а от матери — ген
Ха и ген Хн.
Решение. Оформляем условие задачи в виде таблицы:
Признак
Ген
Г енотип
Гемофилия, сцепленная с полом
Xh
XhY, XhXh
Гемофилия, сцепленная с полом
ха
XaY, ХаХа
Аутосомная гемофилия
р
Нормальное свертывание крови
х^х*,
р
PP
^rAH^-ahp
^•AH-^rAhp
АНр^
-^AH-^Ahp
x ’ahy p -
86
Р. ХЛНХАНРр
х
XahYPp
G. (ХАНР) (Xahp) (Х^’р) (Х^р) (YP) (Yp)
F, XAHXahPP ХАНХаТ р
XahYPP
здоровые здоровые
здоровые
x AHx a h p p
X AHx ahp p
Х АНу р р
XAHYPp
здоровые
X ^ Y p p
здоровые
аугосомная здоровые
аутосомная
гемофилия
гемофилия
1. Гемофилии, сцепленной с полом, у детей не будет. Аутосомная
г е м о ф и л и я (парагемофилия) возможна у детей обоего пола с вероятно­
стью 25%.
2. Комплементарность, так как эти гены дают совместно тот эф­
фект, который по отдельности они дать не могут.
3. Нулевая (женщина с генотипом Х'^Х3").
Сцепление генов. Решение типовых задач
Задача 1. Сколько и какие типы гамет образуются:
а) у женщины с генотипом:
б) у мужчины с генотипом:
АВ D
АВ V
ab d
Ab v
Ответ.
а) (АВ D) (ab d) (АВ d) (ab D) - некроссоверные;
(Ab D) (aB d) (aB d) (Ab D) - кроссоверные.
б) (AB V) (AB v) (Ab V) (Ab v) - (некроссоверные и кроссоверные
гаметы идентичны).
Задача 2 . У дрозофилы во второй хромосоме в локусе 48,5 находит­
ся рецессивный ген, детерминирующий черный цвет тела, а в локусе
54,5 - рецессивный ген, обусловливающий пурпурный цвет глаз (Н. Н.
Медведев, 1968). Сколько типов гамет, и в каком процентном соотно­
шении образуется у дигетерозиготной самки с серым цветом тела и
коричневым цветом глаз?
Решение^ По условию задачи можно определить, что расстояние
между генами равно 6 морганид (54,5 - 48,5). У дигетерозиготной самки Дрозофилы при мейозе образуется четыре типа гамет, причем на
кроссоверные гаметы будет приходиться 6 % (по 3 % на каждый тип),
Так как расстояние между генами в хромосоме прямо пропорционально
проценту кроссинговера и проценту кроссоверных гамет. На некроссо®ерные гаметы будет приходиться 94% (по 47% на каждый тип).
87
Задача 3. Гены, влияющие на синтез белка резус-антигена и форму
эритроцитов, находятся в одной аутосоме на расстоянии 3 морганиды.
Женщина, отец которой был резус-отрицательным, но имел эллипти­
ческие эритроциты (доминантный признак), а мать резусположительная, с нормальными эритроцитами, имеет эллиптические
эритроциты и резус-положительная. Ее муж резус-отрицательный, t
нормальными эритроцитами. Определите вероятность рождения р е­
бенка:
а) резус-положительного с нормальными эритроцитами;
б) резус-положительного с эллиптическими эритроцитами;
в) резус-отрицательного с эллиптическими эритроцитами;
г) резус-отрицательного с нормальными эритроцитами.
Признак
Резус - положитель­
ная кровь
Эллиптоцитоз
Ген
D
EI
Г енотип Локализация гена
одна аутосома;
Dрасстояние D - Е1 =
3 морганиды
Е1-
dd
d
Резус - отрицатель­
ная кровь
elel
el
Обычная
форма
эритроцитов
1) Определяем генотип женщины по фенотипу ее родителей - она
гетерозиготна по генам эллиптоцитоза и наличию резус-фактора: dEl
Del
2) Определяем генотип мужа - он гомозиготен по рецессивным ал­
лелям d и el: del
del
3) Записываем схему брака.
P. Dei
х
del
dEl
del
G. (Del) - некроссоверная
(dEl) - некроссоверная
(DEI) - кроссоверная
(del) - кроссоверная
F) Del
dEl
Del de!
del
del
de! del
4) Вычисляем процент кроссоверных и некроссоверных г а м е т .
Кроссоверные - 3% (по 1,5%), так как расстояние между генами - 3
морганиды, некроссоверные - 97% (по 48,5%).
5) Каждая гамета может получить только одну из гомологичных
хромосом. Вероятность образования у женщины гамет с генами Del —
48,5%, dEl —- 48,5%, DEI — 1,5%, del — 1,5%. У мужа гаметы одно­
типны — del.
6 ) Определяем вероятность рождения детей с указанными в условии
з а д а ч и сочетаниями признаков. Она зависит от вероятности слияния
гамет разных типов.
а) 48,5%; 6)1,5% ; в) 48,5%; г) 1,5%.
Задача 4. У дрозофилы ген В детерминирует серый цвет тела, а ген
V - определяет развитие длинных крыльев. Рецессивные аллели этих
генов b и v обусловливают черный цвет тела и короткие крылья. Эти
гены расположены в одной паре аутосом на расстоянии 17 морганид.
Скрещены две мухи, у которых в одной хромосоме находились оба
доминантных гена, а в другой - два рецессивных гена. Определите ве­
роятность появления потомков, фенотипически отличающихся от ро­
дителей.
Решение. Оформляем условие задачи в виде таблицы:
Признак
Ген Генотип
Локализация гена
Серый цвет тела
В
Водна аутосома;
Длинные крылья
расстояние В - V= 17 морганид
V
V
Черный цвет тела
Короткие крылья
ь
V
ЬЬ
W
Как известно, у дигетерозиготной самки дрозофилы при мейозе об­
разуется четыре типа гамет, причем на кроссоверные гаметы будет
приходиться 17% (по 8,5% на каждый тип), так как расстояние между
генами в хромосоме прямо пропорционально проценту кроссинговера
и проценту кроссоверных гамет. На некроссоверные гаметы будет
приходиться 83% (по 41,5% на каждый тип).
У самца дрозофилы образуется только два типа некроссоверных га­
мет (по 50% соответственно), так как у него не происходит кроссинго­
вера.
Записываем схему скрещивания:
р- BV
х
BV
bv
by
р G- (BV) — некроссоверная (41,5 %) (BV) - некроссоверная (50%)
(fey) — некроссоверная (41,5%) (bv) - некроссоверная (50%)
89
(Bv) — кроссоверная (8,5%)
(bV) -— кроссоверная (8,5%)
FI. BV
Bv
20,75
bv
bv
Bv
bv
bV
bv
BY
BV
bv
BV
By
BV
20,75
4,25
4,25
20,75
20,75
4,25
В первом поколении образовались мухи четырех фенотипически
классов: серые длиннокрылые - 20,75% +20,75% + 20,75% + 4,25% +
4,25% = 70,75%; черные короткокрылые — 20,75%; серые короткокрылые — 4,25%; черные длиннокрылые — 4,25%.
Таким образом, суммарная вероятность возникновения потомков
фенотипически отличающихся от родителей, составляет 20 ,75 % +
4,25% + 4,25% = 29,25%.
Задача 5. У человека ген, определяющий синдром дефекта ногтей, и
ген, определяющий группы крови по системе АВО, сцеплены между
собой и находятся на расстоянии 10 морганид. Ген, определяющий ре­
зус-фактор, и ген эллиптоцитоза находятся в другой хромосоме на рас­
стоянии 3 морганиды. Синдром дефекта ногтей, эллиптоцитоз и резусфактор наследуются по доминантному типу.
Один из супругов гетерозиготен по всем анализируемым признакам
и имеет IV группу крови. Известно, что синдром дефекта ногтей он
унаследовал от отца вместе с геном II группы крови. Другой супруг
гомозиготен по всем рецессивным генам и имеет I группу крови. Рас­
считайте вероятные фенотипы потомства от этого брака.
Решение. Оформляем условие задачи в виде таблицы:
Признак
Ген Генотип Локализация гена
Резус - положительная кровь
D
Dаутосома I;
Эллиптоцитоз
расстояние D - El = 3
Е1
Е1моргэниды
Резус - отрицательная кровь
d
dd
Нормальная форма Эр
el
elel
I (0 ) группа крови
Iй
II (А) группа крови
1л
III (В) группа крови
IB
iV
IA,A
jAjO
O
jBjBBjO
IV (АВ) группа крови
Дефект ногтей
Нормальные ногти
1Аи 1в
R
г
90
IAIB
Rrr
аутосома II;
расстояние 1 - R = Ю
морганид
а) записываем генетическую схему брака:
Р Ш1
х
del f t
Del I°r
del I°r
G. (DEL IaR) - некроссоверная
(del IBR) - некроссоверная
(DEL Hr) - некроссоверная
(del IaR) - некроссоверная
(Del IaR) •• кроссоверная;
(dEl IBr) - кроссоверная
(Del IBr) - кроссоверная;
(DEL IAr) - кроссоверная
(del IBR) - кроссоверная;
(DEL IBR) - кроссоверная
(dEl IaR) - кроссоверная;
(del IAr) - кроссоверная
(Dei IAr) - двойная кроссоверная
(dEl IaR) - двойная кроссоверная
(Del IaR) - двойная кроссоверная
(dEl IAr) - двойная кроссоверная
F|. DEI IaR
del I°r
Rh+, эллиптоцитоз, II гру ппа крови,
дефект ногтей 21,825%
IBR
§1
del I°r
Rh-, норм, эритроциты, III группа крови,
нормальные ногти 21,825%
DEI Гг
del I°r
Rh+, эллиптоцитоз, III группа крови,
нормальные ногти 21,825%
dej IaR
del l°r
Rh-, норм, эритроциты, II группа крови,
дефект ногтей 21,825%
Del IaR
del l°r
Rh+, норм, эритроциты, II группа крови,
дефект ногтей 0,675%
dEl IBr
del I°r
Rh-, эллиптоцитоз, III группа крови,
нормальные ногти 0,675%
Del IBr
del I°r
Rh+, норм, эритроциты, III группа крови,
нормальные ногти 0,675%
dEl IBr
del I°r
Rh-, эллиптоцитоз, II группа крови,
дефект ногтей 0,675%
Del Гг
del !°r
dEl PR
del I г
Del IHR
del I°r
dEi Jl!e
del I°r
DE1 l \
del I°r
del I°R
del I°r
DE1
del I°r
Rh+, норм, эритроциты, II группа крови,
нормальные ногти 0,075%
Rh-, эллиптоцитоз, III группа крови,
дефект ногтей 0,075%
Rh+, норм, эритроциты, III группа крови,
дефект ногтей 0,075%
Rh-, эллиптоцитоз, II группа крови,
нормальные ногти 0,075%)
роятность их рождения составляет произведение вероятности рожде­
ния некроссоверов по резус-фактору и эллиптоцитозу и вероятности
рождения кроссоверов по другой паре сцепленных признаков: 0,97 х
0,1 = 0,097, т, е. 9,7% - по 2,425%> каждого из 4-х классов этой группы.
3) кроссоверы по паре резус-фактор - эллиптоцитоз: вероятность их
рождения составляет произведение вероятности рождения некроссове­
ров по дефекту ногтей и вероятности появления на свет кроссоверов по
паре резус-фактор - эллиптоцитоз 0,9 х 0,03 = 0,027 или 2,7% - по
0,675%о каждого из 4-х вероятных классов.
4) кроссоверы по обоим анализируемым классам: вероятность их
рождения равна произведению вероятностей рождения кроссоверов по
обоим парам анализируемых сцепленных признаков 0,03 х 0,1 = 0,003
или 0,3%, т. е. по 0,075% каждого из 4-х фенотипических классов.
Rh+, эллиптоцитоз, II группа крови,
нормальные ногти 2,425%
Rh-, норм, эритроциты, III группа крови,
дефект ногтей 2,425%
Rh+, эллиптоцитоз, III группа крови,
дефект ногтей 2,425%
de!
del Юг
Rh -, норм, эритроциты, II группа крови,
нормальные ногти 2,425%»
Зная расстояние между генами, можно определить вероятность об­
разования кроссоверных гамет, что позволит судить о вероятности ро­
ждения потомков определенного генотипа. Расстояние между геном
дефекта ногтей и геном, определяющим группу крови по системе АВО,
равно 10 морганид, значит, вероятность образования кроссоверных
гамет по этой паре сцепленных генов, а, следовательно, рождения
кроссоверных особей, равна 10%. Аналогично можно угверждать, что
вероятность рождения кроссоверных особей по второй паре анализи­
руемых сцепленных признаков равна 3%.
Полученные фенотипические классы можно разделить на 4 группы:
1) некроссоверы: вероятность их рождения составляет произведение
вероятностей рождения некроссоверов по обоим парам сцепленных
признаков: 0,9 х 0,97 = 0,873, т. е. 87,3%; т. к. таких особей 4 типа, то
каждого — по 21,825%>.
2) кроссоверы по паре дефекта ногтей и группы крови по АВО: ве­
93
Тема 10. Ф ЕН О ТИ П И Ч ЕС К А Я И ГЕНОТИ ПИЧЕСКАЯ ИЗ­
М ЕН Ч И В О С ТЬ.
Изменчивость - это свойство, противоположное наследственности;
юно заключается в способности живых систем приобретать под дейст­
вием факторов внешней и внутренней среды новые признаки (морфо­
логические, физиологические, биохимические) и особенности индиви­
дуального развития, отличающие их от родительских форм
Рисунок 12. Классификация типов изменчивости
Генетическая информация определяет степень развития свойств и
признаков организма, которые реализуются в определенных условиях
среды.
Одна и та же наследственная информация в различных условиях
проявляется по-разному. Примером могут служить фенотипические
различия однояйцевых близнецов, воспитываемых в разных семьях.
Пример: Однояйцовые близнецы появляются на свет, если оплодотво­
ренная яйцеклетка делится на две клетки, каждая из которых дает на­
чало самостоятельному зародышу. Такие близнецы генетически иден­
тичны, различия, наблюдаемые между ними, появляются в силу разно­
го влияния на них среды.
Окраска шерсти у гималайских кроликов и сиамских кошек зависит
от температуры - более темная шерсть растет на участках тела, под­
верженных охлаждению. Таким образом, наследуется не готовый при­
знак, а определенный тип реакции на воздействия внешней среды.
94
Степень фенотипического проявления данного гена называется
эк с п р е с с и в н о с т ь ю . Она зависит от факторов внешней среды и влия­
ния других генов.
Частота проявления гена называется пенетрантностью. Пенетрант­
ность выражается в процентном отношении числа особей, имеющих
данный признак, к числу особей, имеющих данный ген.
Различная степень пенетрантности и экспрессивности генов имеет
большое значение для медицинской генетики. Отягощенная наследст­
венность, наследственная предрасположенность к заболеванию прояв­
ляются при воздействии на организм определенных факторов среды.
Ф енокопия — это явление, при котором признак под действием
факторов среды изменяется и копирует признаки другого генотипа.
Например, многократный прием алкоголя во время беременности мо­
жет привести к развитию алкогольной эмбриопатии — комплексу на­
рушений развития зародыша, копирующему некоторые наследствен­
ные синдромы множественных наследственных пороков (синдром Дубовица, болезнь Дауна и др.).
Генокопия — это одинаковое фенотипическое проявление мутаций
разных генов. Примером генокопий могут служить различные виды
гемофилии, которые клинически проявляются снижением свертывае­
мости крови и вызваны недостаточностью восьмого или девятого фак­
тора свертывающей системы (гемофилия А и В соответственно).
Фенотипическая, или модификационная, изменчивость - это из­
менения фенотипа без изменений генотипа. Она протекает при непо­
средственном воздействии факторов внешней среды на ферментатив­
ные реакции, происходящие в организме, и носит массовый адаптив­
ный (приспособительный) характер. Разнообразие фенотипов, возни­
кающих у организмов под влиянием условий среды, называют модификационной изменчивостью. Например, у растения "водяной лютик"
листья имеют разнообразную форму: под водой — стреловидные, на
границе воды и воздуха — рассеченные, над водой — в виде сплошной
пластинки; монозиготные близнецы могут иметь фенотипические раз­
личия, если живут в разных условиях.
Наибольший интерес представляют адаптивные модификации - ненаследуемые изменения, полезные для организма и способствующие
его выживанию при изменившихся условиях. В отличие от мутаций Редких, единичных и случайных событий, адаптивные модификации
направлены и в то же время зачастую обратимы, предсказуемы и часто
Характерны для больших групп организмов. У пушных зверей при по95
нижении температуры окружающей среды густеет мех. Загар на коже
человека - адаптивное изменение, которое способствует большей у с ­
тойчивости к солнечному облучению
К средовой изменчивости относятся и морфозы. Они, как правило
связаны с воздействием экстремальных или необычных для организма
факторов, таких, как радиация, химические вещества, повышенная
температура. Морфозы обычно необратимы и выходят за пределы
нормы реакции.
Так как при модификациях не происходит изменения генетического
материала, то эта форма изменчивости является ненаследственной.
Дарвин называл ее определенной (предсказуемой, или групповой), по­
тому что особи одного вида в одинаковых условиях внешней среды
изменяются однотипно. Свойства модификаций:
♦ не наследуются;
♦ предсказуемые;
♦ адаптивные;
♦ носят массовый характер.
Модификации - результат изменения действия генов. Механизм
возникновения некоторых из них изучен у бактерий, о том, каким об­
разом регулируется реализация наследственной информации у высоко
организованных существ, пока известно крайне мало.
Границы модификациониной изменчивости называются нормой
реакции, которая определяется генотипом. Она может быть узкой, ко­
гда признак изменяется незначительно (например, жирность молока), и
широкой, корда признак изменяется в широких пределах (например,
количество молока).
Норма реакции, 1) в генетике — пределы, в которых в з а в и с и м о с т и
от условий внешней среды может изменяться фенотипическое прояв­
ление отдельных генов или генотипа в целом. Термин введён в 1909 В.
Иогансеном. Примерами изменений фенотипического проявления ге­
нов могут служить модификаиии. Так, у китайской примулы о к р а с к а
цветков варьирует от белой (при температуре 30 °С) до розовой (при
20 °С); у бабочек траурниц, развивающихся летом (при высоких тем­
пературах), белая кайма на крыльях четко очерчена, а у р а з в и в а ю щ и х ­
ся весной (при пониженных температурах) она размыта. И зм е н е н и я
фенотипа в пределах обусловленной генотипом Норма реакции м о гу т
возникать в ответ на любые колебания условий среды, в которой про­
текает развитие организма. Наблюдаемые изменения часто глубоко
меняют фенотип, но не затрагивают генотип, т.к. они обратимы. При
96
возвращении исходных условий среды организм либо в том же поко­
лении (загар человека, густота шерсти млекопитающих, окраска цвет­
ков примулы), либо в следующем (окраска крыльев траурницы, число
стеблей у одного растения пшеницы), а иногда и в ряду поколений (т.
н. длительной модификации) возвращается к первоначальному состоя­
нию, утрачивая признаки, возникшие при изменении условий обита­
ния. Другим доказательством того, что изменения в пределах Норма
реакции происходят без изменений генотипа, служит их наличие и в
чистых линиях, т. е. генотипически однородном материале. Более или
менее широкая Норма реакции вырабатывается в процессе естест­
венного отбора; она присуща всем организмам, обеспечивая их выжи­
вание при сдвигах условий обитания. Т. о., генотип определяет не жё­
сткую комбинацию строго детерминированных признаков фенотипа, а
именно Норма реакции организма при его формировании и развитии.
2)
В физиологии понятием «Норма реакции» обозначают ряд ха­
рактерных реакций, однако во всех этих случаях ему не придают зна­
чения термина.
Примером модификационной изменчивости может служить измен­
чивость генетически сходных (идентичных) особей. Многие виды рас­
тений, например картофель, обычно размножаются вегетативно, в этом
случае все потомки обладают одинаковым генотипом. Многие расте­
ния существенно отличаются по высоте, кустистости, количеству и
форме клубней и другим показателям. Причина этой очень широкой
модификационной изменчивости состоит в разнообразном влиянии
среды, которое испытывает каждый саженец картофеля. Модификационные изменения (модификации) не связаны с изменением генов. Од­
нако модификации могут сильно влиять на их работу, а также на ак­
тивность ферментов. Хорошо известно, что при низких температурах
ферменты гораздо менее активны, что не может не влиять на рост рас­
тений и микроорганизмов, развитие животных. Следовательно, дейст­
вие факторов среды очень существенно для протекания многих физио­
логических и формообразовательных процессов. Однако эти воздейст­
вия, как правило, не влияют на свойства генов, которые передаются в
следующие поколения без принципиальных изменений. Именно по­
этому модификации не наследуются. Это важное обобщение сделал
крупный немецкий биолог А.Вейсман*.
* - Август Вейсман (нем. Friedrich Leopold August Weismanп;
17 января 1834, Франкфурт-на-Майне — 5 ноября 1914, Фрей-
бург) — немецкий зоолог и теоретик эволюционного учения.
97
Учился в Гёттингене (1852— 1856). С 1863 приват-доцент, в
1873—1912 профессор Фрайбургского университета. Ранние
работы посвящены гистологии мышечной ткани, развитию
насекомых, биологии пресноводных организмов.
С конца 1860-х годов перешёл в основном к теоретическим ис­
следованиям, посвященным защите, обоснованию и развитию
учения Ч. Дарвина. Стоя на позициях материализма, Вейсман
отстаивал механистическое понимание жизненных явлений.
Выступая против витализма, отвергал ламаркизм, признавав­
ший изначально целесообразное реагирование живых существ
на воздействия среды и наследование возникших таким путём
изменений. Вейсман справедливо утверждал, что вопрос о на­
следовании приобретённых признаков может быть решен
только с помощью опыта, и экспериментально показал ненаследуемость механических повреждений. Вейсман — автор
умозрительных теорий наследственности и индивидуального
развития, неверных в деталях, но в принципе предвосхитивших
современные представления о дискретности носителей на­
следственной информации и их связи с хромосомами, а также
концепции о роли наследственных задатков в индивидуальном
развитии.
В конце 1940-х годов созданное Вейсманом учение, названное
им неодарвинизмом, некоторыми советскими генетиками было
необоснованно объявлено антинаучным и реакционным. В дей­
ствительности учение Вейсмана было дальнейшим развитием
дарвиновской теории эволюции.
Модификационная изменчивость имеет важное эволюционное зна­
чение. Она позволяет организмам приспособиться к изменяющимся в
течение их индивидуального развития условиям окружающей среды,
выжить и оставить потомство. Под "прикрытием" модификаций в про­
цессе естественного отбора будут накапливаться мутации, проявление
которых дублирует ненаследственные изменения.
Генотипическая изменчивость — это изменение фенотипа вследст­
вие изменения генотипа. Понятно, что генотипическая изменчивость
передается по наследству. Она подразделяется на комбинативную и
мутационную.
98
Комбинативная изменчивость связана с перекомбинацией генов
у потомков без изменения структуры генетического мате­
риала.
Механизмы комбинативной изменчивости:
♦ перекомбинация генов при кроссинговере;
♦ независимое расхождение хромосом и хроматид в анафазах мейоза-I и мейоза-Н;
♦ случайное сочетание гамет при оплодотворении.
Например, если у родителей I и IV группы крови, то у детей может
быть либо II, либо III группа крови:
Р: 1°1° х 1А1В'
G: 1°
1А
1в
F: IAI°
1в1°
Разновидностью комбинативной изменчивости является гетерозис
— повышение жизнеспособности и увеличение массы различных по­
род, сортов и даже видов при гибридизации.
Гетерозис (от греч. heteroiosis — изменение, превращение), «гиб­
ридная сила», ускорение роста и увеличение размеров, повышение
жизнестойкости и плодовитости гибридов первого поколения при раз­
личных скрещиваниях как животных, так и растений. Во втором и по­
следующих поколениях гетерозис обычно затухает. Различают истин­
ный гетерозис — способность гибридов оставлять большое число пло­
довитых потомков, и гигантизм — увеличение всего гибридного орга­
низма или отдельных его частей. Гетерозис обнаружен у разнообраз­
ных многоклеточных животных и растений (в т. ч. и самоопылителей).
Сходные с гетерозис явления наблюдаются при половом процессе и у
некоторых одноклеточных. У с.-х. животных и возделываемых расте­
ний гетерозис нередко приводит к значительному повышению продук­
тивности и урожайности.
Применение гибридизаиии в сельском хозяйстве расширяется из го­
да в год, что стимулирует и теоретические исследования гетерозиса
особи с сильно выраженным гетерозиса имеют преимущества при ве­
щественном отборе, и потому проявления гетерозиса усиливаются,
что способствует увеличению генетической изменчивости. Нередко
возникают устойчивые генетические системы, обеспечивающие пре­
имущественное выживание гетерозигот по многим генам.
По Дарвину, гетерозис обусловлен объединением в оплодотворён­
ной яйцеклетке разнородных наследственных задатков. На этой основе
возникли две главные гипотезы о механизме гетерозис. Гипотеза гетеродителей
99
розиготности («сверхдоминирования», «одногенного» гетерозиса) бы.
ла выдвинута американскими исследователями Э. Истом и Г. Шеллом
(1908). Два состояния (два аллеля) одного и того же гена при их со­
вмещении в гетерозиготе дополняют друг друга в своём действии на
организм. Каждый ген управляет синтезом определенного полипепти­
да. У гетерозиготы синтезируются несколько различных белковых це­
почек вместо одной и нередко образуются гетерополимеры — «гиб­
ридные» молекулы; это может дать ей преимущество. Гииотезу доми­
нантности (суммирования доминантных генов) сформулировали аме­
риканские биологи А. В. Брюс (1910), Д. Джонс (1917) и др. Мутаипи
(изменения) генов в общей массе вредны. Защитой от них служит уве­
личение доминантности «нормальных» для популяции генов (эволю­
ция доминантности). Совмещение у гибрида благоприятных доми­
нантных генов двух родителей приводит к гетерозис. Обе гипотезы
гетерозис могут быть объединены концепцией генетического баланса
(американский учёный Дж. Лернер, английский К. Матер, русский ге­
нетик Н. В. Турбин). В основе гетерозис, по-видимому, лежит взаимо­
действие как аллельных, так и неаллельных генов; однако во всех слу­
чаях гетерозис связан с повышенной гетерозиготностью гибрида и его
биохимическим обогащением, что и обусловливает усиление обмена
веществ. Особый практический и теоретический интерес представляет
проблема закрепления гетерозиса. Она может быть решена путём уд­
воения хромосомных наборов (Полиплоидия). создания устойчивых
гетерозиготных структур и использования всех форм апомиксиса, а
также вегетативного размножения гибридов. Эффект гетерозиса может
быть закреплен и при удвоении отдельных генов или небольших уча­
стков хромосом. Роль таких дупликаций в эволюции очень велика; по­
этому гетерозис следует рассматривать как важный этап на пути эво­
люционного прогресса.
Гетерозис в медицине - проявляющийся в потомстве благоприятный
эффект скрещивания особей из генетически отдаленных друг от друга
линий (большая мощность организма — так называемая «гибридная
сила» — и т. п.). Явление "гибридной силы" объясняется переходом
большинства генов в гетерозиготное состояние, что увеличивает раз­
нообразие белков организма и способствует его лучшей п р и с п о с а б л и ­
ваемое к изменяющимся условиям среды.
100
Тема 11. М УТАЦИОННАЯ ИЗМ ЕН ЧИ ВО СТЬ. М УТАГЕНЫ .
М утация — это скачкообразное, устойчивое изменение генетиче­
с к о го материала под влиянием факторов внешней или внутренней сре­
ды, передающееся по наследству.
Свойства мутаций:
+ возникают внезапно;
+ наследуются;
4 ненаправленны;
♦ могут возникать повторно.
Процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы,
их вызывающие. - мутагенами. Мутагены первоначально воздейству­
ют на генетический материал особи, вследствие чего может изменить­
ся фенотип. Это могут быть экзомутагены (факторы внешней среды)
и эндомутагены (продукты метаболизма самого организма).
Мутагенные факторы подразделяют на физические, химические и
биологические.
К физическим мутагенам относятся различные виды излучений
(преимущественно ионизирующие — альфа-, бета- и гамма-лучи,
ультрафиолетовые лучи), температура, влажность и др.
Механизмы их действия:
1) нарушение структуры генов и хромосом;
2 ) образование свободных радикалов, вступающих в химическое
взаимодействие с ДНК;
3) разрушение нитей ахроматинового веретена деления;
4) образование димеров — соединение между собой ("сшивка") со­
седних пиримидиновых оснований одной цепи ДНК (чаще Т-Т).
К химическим мутагенам относятся: природные органические и не­
органические вещества (нитриты, нитраты, алкалоиды, гормоны, фер­
менты и др.); продукты промышленной переработки природных со­
единений (угля, нефти); синтетические вещества, ранее не встречав­
шиеся в природе (пестициды, инсектициды, пищевые консерванты,
моющие средства, дезодоранты); лекарственные препараты, которые
могут провоцировать врожденные пороки развития (иммуносупрессанты, некоторые антибиотики, наркотические вещества, синте­
тические кортикостероиды и др.).
Химические мутагены обладают большой проникающей способно­
стью, вызывают преимущественно генные мутации и действуют в пе­
риод репликации ДНК.
101
Механизм их действия:
1) дезаминирование и алкилирование нуклеотидов;
2 ) замена азотистых оснований их аналогами;
3) ингибипия синтеза предшественников нуклеиновых кислот и др
К биологическим мутагенам относятся: вирусы (краснухи, кори
гриппа); невирусные паразитарные агенты (микоплазмы, бактерии'
риккетсии); продукты метаболизма паразитов (токсоплазмы, кошачье­
го сосальщика, трихинеллы). Невирусные и вирусные агенты могут
быть причиной инфекционного мутагенеза: они способны нарушить
течение митоза, вызвать разрывы хромосом и хроматид, встроить свою
ДНК в ДНК клеток хозяина. Продукты жизнедеятельности паразитов
— возбудителей болезней могут действовать как химические мутаге­
ны.
С упермутагены — это факторы (чаще химической природы), по­
вышающие частоту мутаций в сотни — десятки тысяч раз (например,
колхицин, этиленамин, иприт). Они используются для получения ин­
дуцированных мутаций в селекции.
А нтимутагены значительно снижают частоту мутаций. К ним от­
носятся около 200 природных и синтетических соединений: некоторые
аминокислоты (гистидин, метионин и др.); витамины (токоферол, ас­
корбиновая кислота, каротин и др.); фармакологические средства (ин­
терферон, ан-тиоксиданты, оксипиридины и др.); пищевые продукты
(некоторые виды бобов, черный перец, капуста, экстракт яблок). Ряд
антимутагенов используют в качестве радиопротекторов.
Классификации мутации
причинам, вызвавшим мутации, их подразделяют на с п о н т а н н ы е
и индуцированные.
С понтанны е (самопроизвольные) мутации происходят под дей­
ствием естественных мутагенных факторов внешней среды без вмеша­
тельства человека, например наследственные болезни обмена в е щ е с т в .
Их причинами являются ошибки репликации и репарации ДНК, дейст­
вие перекисей и альдегидов, образующихся в организме, р а з л и ч н ы е
виды естественных излучений.
Индуцированны е мутации — результат направленного в о з д е й с г
вия определенных мутагенных факторов. Впервые они были п о л у ч е н ^
в 1925 г. Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым при облучении грибов ра
дием.
По
102
По мутировавшим клеткам мутации подразделяют на гаметические
и сом атически е.
Гаметические мутации (генеративны е) происходят в половых
проявляются у потомков, передаются по наследству при по­
л о в о м размножении (гемофилия, фенилкетонурия).
С о м а т и ч е с к и е мутации происходят в соматических клетках, пере­
д а ю тся по наследству только при вегетативном размножении и прояв­
л я ю т с я у самой особи (разный цвет глаз у одного человека, белая
прядь волос, опухоли).
По исходу для организма мутации бывают: о тр и ц ател ьн ы е — ле­
т а л ь н ы е , несовместимые с жизнью (например, отсутствие головного
мозга) и полулегальные — снижающие жизнеспособность организма
(например, болезнь Дауна); нейтральны е — существенно н е влияю­
щие на процессы жизнедеятельности (например, веснушки), положи­
тельные - повышающие жизнеспособность (например, появление че­
тырехкамерного сердца в процессе эволюции хордовых животных).
Последние возникают редко, но имеют большое значение для прогрес­
клетках,
сивной эволюции.
По изменениям генетического материала мутации подразделяют на
геномные, хромосомные и генные.
М утации
Определенность
Неопределенность
Каясцый внешний фактор вызы­ Один фактор вызывает несколько
вает изменение признаков в оп- изменений, а разные мутагены —
-ЕВД£ленных отношениях
одни и те же изменения
пень изменения признаков Возникают внезапно, без перехо­
прямо пропорционально сипе или дов
-ЙЙЩельносги действия фактора
ольшей частью и м е ю т адаптив- Не имеют адаптивного значения
-Й^^начение
течение
еле Г
СТепенно исчезают понего ф а КРаЩ еНИЯ Действия внеш°® Р а т и м ы
8
иаслеп\/,^.,.—
^ е д у ю т с я ------------------------
Необратимы
Наследуются.
103
О храна окруж аю щ ей среды и проф илактика наследственных
болезней
Наследственная изменчивость у человека постоянно пополняется
новыми мутациями. Спонтанные вновь возникающие мутации опреде­
ляют в целом до 20% всей наследственной патологии. Для некоторых
тяжелых доминантных форм новые мутации являются причиной 90% и
более наследственных болезней. Наследственные болезни, обуслов­
ленные вновь возникшими мутациями, фактически не могут быть
предсказаны. Они являются событиями, случайными и редкими для
каждого гена. Пока нет предпосылок вмешиваться в процесс спонтан­
ного мутагенеза у человека, хотя интенсивные исследования антимута­
генеза и антитератогенеза могут привести к созданию новых методов
профилактики наследственных болезней и врожденных пороков разви­
тия. Наряду со спонтанным мутагенезом у человека может быть инду­
цированный мутагенез (радиационный, химический, биологический).
Универсальный характер индуцированного мутагенеза на всех
уровнях организации наследственности для всех живых существ не
вызывает сомнений. Естественно, что индуцированный мутагенез мо­
жет служить дополнительным источником наследственных болезней.
С точки зрения профилактики наследственных болезней он должен
быть полностью исключен.
Необходимо подчеркнуть, что индуцированный мутационный про­
цесс опасен в плане не столько индивидуального прогноза, сколько
популяционного. Отсюда вытекает, что "исключение мутагенных фак­
торов" из среды обитания человека является методом профилактики
наследственных болезней. Методы проверки внешних факторов на му­
тагенность разработаны и могут быть введены в гигиенические регла­
ментации при охране окружающей среды. Этот вопрос очень важный,
потому что мутагенные эффекты от воздействия факторов окружаю­
щей среды проявляются не в экспонированной популяции, а в потом­
стве в нескольких поколениях. К охране среды обитания человека от­
носится также "исключение" из нее "факторов, вызывающих экогенетические патологические реакции". Например, для лиц с пигментной
ксеродермой (гомозигот) надо исключить контакт с ультрафиолетовым
светом, для лиц с недостаточностью ингибитора протеаз - с пылью, для
носителей мутации порфиринового гена - с барбитуратами и т. д.
104
Тема 12. ГЕНОМ НЫ Е, Х РОМ ОСОМ НЫ Е. ГЕННЫ Е М УТАЦИИ
Г ен ом н ы е мутации обусловлены изменениями числа хромосом. К
ним относятся полиплоидия, гаплоидия и анеуплоидия. Аномалии чис­
ла хромосом могут быть вызваны разными причинами. Наиболее часто
г е н о м н ы е мутации являются следствием: нераехождения хромосом,
к о г д а две или несколько гомологичных хромосом остаются соединен­
ными вместе и в анафазу отходят к одному полюсу вследствие разру­
шения нитей веретена деления; анафазного отставания, когда одна или
несколько хромосом в процессе анафазного движения отстают от дру­
гих. Реже причиной геномных мутаций является полиплоидизация.
Полиплоидия — это кратное гаплоидному увеличение числа хро­
мосом в соматических клетках (Зп, 4п, 5п..,). Полиплоидия, как прави­
ло, используется в селекции растений и приводит к повышению уро­
жайности. У млекопитающих и человека это летальные мутации.
Гаплоидия (In) - одинарный набор хромосом в соматических клет­
ках, например у трутней пчел. Жизнеспособность гаплоидов снижает­
ся, так как в этом случае проявляются все рецессивные гены, содер­
жащиеся в единственном числе. Для млекопитающих и человека это
летальная мутация.
Анеуплоидия - некратное гаплоидному уменьшение или увеличе­
ние числа хромосом (2п±1, 2п±2 и т. д.). Существует несколько разно­
видностей анеуплоидии:
♦ трисомия — три гомологичные хромосомы в кариотипе, напри­
мер при синдроме Дауна (трисомия по 21-й хромосоме);
Ьмоносомия — в наборе одна из пары гомологичных хромосом, на­
пример при синдроме Шерешевского-Тернера (моносомия X). Моносомии по первым крупным парам хромосом являются для человека
летальными мутациями. Иногда встречаются двойные, тройные (по
двум и трем разным хромосомам) моно- и трисомии, тетрасомии и др.;
♦ нулисомия — отсутствие пары хромосом (летальная мутация); у
человека неизвестна.
Геномные мутации всегда проявляются фенотипически и легко об­
наруживаются цитогенетическими методами.
Хромосомные мутации (аберрации) обусловлены изменением
структуры хромосом. Они могут быть внутрихромосомными и межхромосомными.
К внутрихромосомным мутациям относятся перестройки внутри
одной хромосомы.
1Q5
/
Делеция (нехватка) — отсутствие части хромосомы (частичная моносомия). Выделяют нехватки терминальных и средних участков. Де_
леция практически любой части хромосом может нарушить эмбрио­
нальное развитие и проявиться множественными врожденными поро­
ками. Например, делеция участка короткого плеча 5-й (5р-) хромосомы
у человека приводит к развитию синдрома "кошачьего крика" (недо­
развитие гортани, задержка умственного развития, пороки сердца и
др.). При делеции терминальных участков обоих плеч хромосомы
(удаляются теломеры) часто наблюдается замыкание оставшейся
структуры в кольцо — образование кольцевых хромосом.
Дупликация (частичная трисомия) — удвоение участка хромосомы.
Примером может служить синдром трисомии по короткому плечу 9-й
хромосомы (9р+) у человека, проявляющийся умственной отстало­
стью, задержкой роста, микроцефалией и другими пороками.
Инверсия — отрыв участка хромосомы, поворот его на 180 и при­
крепление к месту отрыва. При этом наблюдается нарушение порядка
расположения генов. Межхромосомные перестройки происходят меж­
ду негомологичными хромосомами.
Транслокация — это обмен сегментами между негомологичными
хромосомами. Различают: реципрокные транслокации, когда две хро­
мосомы обмениваются сегментами; нереципрокные, когда сегменты
одной хромосомы переносятся на другую; робертсоновские, когда две
акроцентрические хромосомы соединяются своими центромерными
районами. Иногда может происходить поперечный, а не продольный,
как обычно, разрыв хроматид в области центромер; в этом случае об­
разуются изохромосомы, представляющие собой зеркальное отображе­
ние двух одинаковых плеч (длинных или коротких).
Нехватки (частичные моносомии) и дупликации (частичные трисо­
мии) всегда проявляются фенотипически, так как изменяется набор
генов и нарушается регуляция их активности в процессе эмбриогенеза.
Инверсии и транслокации фенотипически проявляются не всегда; они
могут быть сбалансированными, когда не происходит ни увеличения,
ни уменьшения генетического материала и сохраняется общий баланс
генов. При инверсиях и транслокациях, происшедших в клетках поло­
вых желез, предшественницах гамет, затрудняется конъюгация гомо­
логичных хромосом, что может служить причиной нарушения распре­
деления генетического материала между дочерними клетками.
Хромосомные аберрации выявляются цитогенетическими методами
с помощью специальной дифференциальной окраски хромосом.
106
Г ен н ы е (точковые) мутации, или трансгенации, связаны с изме­
структуры гена (молекулы ДНК). Генные мутации могут за­
как структурные, так и функциональные гены.
И зм ен ен и я структурны х генов
"Сдвиг рамки считывания" — вставка или выпадение пары или не­
скольких пар нуклеотидов. Например, исходный порядок нуклеотидов
__АГТ’АЦТЦГА..., а после вставки нуклеотида - ААГГАЦТЦГА...; в
зависимости от места вставки или выпадения нуклеотидов изменяется
меньшее или большее число последующих кодонов.
Транзиция- замена оснований: одного пуринового на другое пури­
новое или одного пиримидинового на другое пиримидиновое, напри­
мер: А *-> Г, Ц *-*Т при этом изменяется тот кодон, в котором про­
изошла транзиция.
Трансверсия — замена пуринового основания на пиримидиновое
или пиримидинового на пуриновое, например: А <->■ Ц, Г<-*Т; изменя­
ется тот кодон, в котором произошла трансверсия.
Изменения структурных генов могут приводить к миссенсмутациям — изменению смысла кодонов и образованию других белков
или к нонсенс-мутациям - образованию "бессмысленных" кодонов
(УАА, УАГ, УГА), не кодирующих аминокислоты (терминаторы, оп­
ределяющие окончание считывания)
нениям и
трагивать
Изменения функциональны х генов:
1. Белок-репрессор изменен и "не подходит" к гену-оператору "ключ не входит в замочную скважину"- структурные гены работают
постоянно: белки, закодированные в данном транскриптоне, синтези­
руются все время.
2. Белок-репрессор плотно "присоединяется" к гену-оператору и не
снимается индуктором - "ключ не выходит из замочной скважины" структурные гены постоянно не работают: белки не синтезируются.
3. Нарушение чередования репрессии и индукции: при отсутствии
индуктора специфический белок синтезируется, а при его наличии не
синтезируется. Вышеназванные нарушения работы транскриптонов
связаны с мутациями гена-регулятора или гена-оператора.
Генные мутации в большинстве случаев проявляются фенотипиче­
ски и являются причиной нарушения обмена веществ (генных болез­
ней), частота проявления которых в популяциях человека составляет 2 4%. Они выявляются биохимическими методами и методами рекомби-
107
нантной ДНК. Примерами генных мутаций у человека могут быть фе­
нилкетонурия, серповидно-клеточная анемия, миопатия Дюшенна.
У стойчивость генетического м атериала обеспечивается:
♦ диплоидным набором хромосом;
♦ двойной спиралью ДНК;
♦ вырожденностью (избыточностью) генетического кода;
♦ повтором некоторых генов;
♦ репарацией нарушений структуры ДНК.
Репарация генетического м атериала — это внутриклеточный
процесс, обеспечивающий восстановление поврежденной структуры
молекулы ДНК. Нарушения структуры молекулы ДНК могут быть вы­
званы повреждениями азотистых оснований, разрывом одной или двух
нитей молекулы, вставками или выпадениями нуклеотидов, сшивками
нитей ДНК или "ДНК-гисгон". Различают дорепликативную (до уд­
воения молекулы ДНК), репликативную (в процессе удвоения) и пострепликативную (после удвоения) репарацию.
Впервые возможность репарации молекулы ДНК была установлена
в 1948 г. А. Кельнером с соавторами. К. Руперт (1962) описал один из
способов репарации - фотореактивацию. Было выявлено, что при ульт­
рафиолетовом облучении фагов, бактерий и протестов наблюдается
резкое снижение их жизнеспособности. Однако выживаемость их зна­
чительно повышается, если на них дополнительно воздействовать ви­
димым светом. Оказалось, что под действием ультрафиолета в молеку­
ле ДНК образуются димеры (химические связи между двумя пирими­
диновыми основаниями одной цепочки, чаще Т-Т), что препятствует
считыванию информации. Видимый свет активирует фермент фотолиазу, разрушающий димеры.
Темновая (эксцизионная) репарация была изучена А. Герреном в
50-е годы. Она заключается в нахождении и удалении поврежденного
участка нити ДНК путем его "вырезания" и далее в синтезе и вставке
нового фрагмента с участием ферментов эндонуклеазы, экзонуклеазы,
ДНК-попимеразы и лигазы.
Принципиально доказана возможность репарации молекулы ДНК
при повреждении обеих ее нитей. При этом информация может быть
получена с и-РНК с помощью фермента ревертазы.
Нарушение процессов репарации приводит к ряду заболеваний. У
больных пигментной ксеродермой под действием солнечного света
появляются веснушки, расширяются капилляры, ороговевает эпидер­
мис, поражаются глаза, развиваются злокачественные опухоли кожи.
Генетические концепции канцерогенеза
В настоящее время установлено, что при канцерогенезе - образова­
нии опухолей - изменения происходят на молекулярно-генетическом
уровне и затрагивают механизмы, отвечающие за размножение, рост и
дифференцировку клеток. Выделяют несколько концепций канцероге­
неза.
1. Мутационная концепция. Впервые Г. де Фриз (1901) высказал
предположение о том, что опухоли - это результат мутаций соматиче­
ских клеток. Т. Бовери (1914) считал, что в основе канцерогенеза лежат
геномные или хромосомные мутации. В дальнейшем было показано,
что процесс канцерогенеза может происходить без структурных изме­
нений в геноме, а обнаруживаемые в опухолевых клетках хромосом­
ные и геномные мутации являются следствием перерождения клеток.
2. Эпигеномная концепция. Ю.М. Оленов (1967) и А.Ю. Броновицкий (1972) считали, что в основе превращения нормальной клетки в
опухолевую лежат стойкие нарушения регуляции генной активности,
т. е. повреждаются функциональные гены.
3. Вирусо-генетическая концепция. Еще в 1911 г. Ф. Раус впервые
показал, что вирусы являются причиной саркомы кур. Затем была ус­
тановлена вирусная природа некоторых других опухолей (лейкозов у
кур, мышей и крыс, бородавок у человека и кроликов). Л.А, Зильбер
(1944-1968) считал вирусы универсальной причиной злокачественного
роста. Мутагены и канцерогены стимулируют активность вирусов, их
геном включается в ДНК клегки и изменяет ее свойства.
4. Концепция онкогена. Р. Хюбнер (1969) и Г.И. Абелев (1975) объе­
динили вторую и третью концепции. ДНК некоторых клеток каждого
организма содержит онкогены в неактивном (репрессированном) со­
стоянии в форме протоонкогенов. Протоонкогены могут быть получе­
ны от предков либо внесены интегративным вирусом и длительное
время находиться в неактивном состоянии и активироваться под воз­
действием канцерогенов, превращая нормальные клетки в опухолевые.
Опухолевые клетки содержат специфические для них белки и под­
ергаю тся элиминации из организма иммунной системой. Поэтому раз­
витие опухолей происходит, при нарушении ее функций и в пожилом
возрасте.
108
109
0 ри анемии Фанкони наблюдается недостаточность функций костного
мозга, приводящая к снижению содержания всех клеток крови и ги­
перпигментации.