Биология пособие для поступающих в вузы под редакцией М. В. Гусева и Л. А. Каменского Издательство Московского университета 2002 Москва мир 2002

ПРЕДМЕТ, ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ГЕНЕТИКИ

Генетика ╫ это биологическая дисциплина, предметом изучения которой являются закономерности наследственности и изменчивости живых организмов. Она изучает природу и структуру материальных носителей наследственности, причины и закономерности их изменчивости, способы реализации наследственной информации на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях в процессе индивидуального и филогенетического развития, изменение частот генов в популяциях и динамику наследственных структур в процессе эволюции. Основной задачей генетики является изучение проблем хранения, передачи, реализации и изменчивости наследственной информации.

В отличие от большинства областей биологии, имеющих сравнительно-описательный характер, генетика ╫ точная наука, использующая стройный логический подход и математические методы анализа. Изучение генетических проблем осуществляется с применением большого числа классических и современных подходов. Основным из них следует считать гибридологический метод (метод скрещиваний), блестяще разработанный и примененный основоположником генетики Грегором Менделем. Это единственный метод, специфический именно для генетики. Однако его прекрасно дополняют имеющие и важное самостоятельное значение другие методы, сочетающие в себе подходы, свойственные другим биологическим дисциплинам: цитогенетический, или цитологический, изучающий поведение хромосом, ядер и других органелл, в первую очередь содержащих ДНК, в процессе клеточных делений; физиологический, биохимический, биофизический, онтогенетический (эмбриологический), молекулярно-генетический (молекулярно-биологический), метод культуры клеток и тканей, генеалогический, исследующий закономерности наследования в ряду последовательных поколений по родословным, близнецовый и др. Каждый из них действует на определенном уровне организации живой материи в зависимости от специфики исследуемого объекта.

Для изучения генетических проблем можно использовать практически любые виды живых организмов, однако успешнее всего

544
это осуществляется на специальных объектах, удовлетворяющих ряду особых критериев:

╒ короткий период полового созревания, длительный период размножения, большое количество половых клеток и, следовательно, потомков;

╒ небольшое число хромосом, хорошо различимых цитологически и имеющих структурно-морфологические различия, существование специальных видов хромосом (например, политенных);

╒ удобство культивирования объекта в лабораторных условиях, наличие множества четко различимых признаков. Конечно, далеко не всякий экспериментальный объект характеризуется всем набором этих свойств. Тем не менее, чем ближе он к идеалу, тем удобнее для изучения. К числу таких объектов относятся: представители животных (инфузории, дрозофила, мышь, крыса), растений (арабидопсис, горох, пшеница, рожь, ячмень), грибов (дрожжи, аспергилл, нейроспора), водорослей (хламидомонада), бактерий (кишечная палочка, сальмонеллы, клебсиеллы, цианобактерии) и вирусов (бактериофаги, некоторые вирусы растений и животных). Многие задачи генетики успешно решаются на клеточных культурах объектов разнообразного происхождения ╫ от насекомых до человека. Для каждого объекта необходимо хорошо знать черты его биологии, особенно биологии размножения, от которых в ряде случаев зависит механизм наследования хромосом, генов, и признаков.

ФЕНОТИП И ГЕНОТИП

Одним из краеугольных моментов в генетике является понятие наследственного (генетического) признака. Под генетическим признаком понимают любое свойство объекта, по которому между несколькими формами существуют качественные или количественные различия, четко передаваемые в ряду последовательных генераций (из поколения в поколение). Все признаки условно можно подразделить на качественные и количественные. Проявления качественных признаков альтернативны, дискретны и четко отличаются одно от другого (например, признак окраски венчика у растений, имеющий проявления, или градации, в виде красного и белого цветов; форма и расположение цветков на побеге ╫ верхушечное или пазушное; форма щетинок на теле плодовой мушки дрозофилы ╫ прямые или скрученные, "опаленные, вильчатые", и др.). Проявления количественных признаков могут быть измерены, четких различий между ними, как правило, не существует (например, длина и масса тела у млекопитающих, яйценоскость кур, удойность крупного рогатого скота и др). Наиболее ярко и просто проявляются закономерности наследования качественных

545
признаков. Совокупность всех признаков организма формирует его фенотип, а все гены, их определяющие, составляют его генотип.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ

ЗАКОНЫ Г.МЕНДЕЛЯ. МОНОГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ

Наиболее важные закономерности наследования были открыты Грегором Менделем в опытах на горохе. Он проводил внутривидовые скрещивания форм, отличавшихся по единичному числу признаков с их альтернативными (противоположными) проявлениями. Среди использованных признаков были окраска семян, цветков и бобов, форма семян и бобов, тип расположения цветков, высота растений. Первоначально проводился гибридологический анализ (методом разнообразных скрещиваний) форм гороха, отличавшихся по одному признаку. Скрещивания, в которые вовлекаются родительские формы с различными проявлениями одного признака, называются моногибридными.

При скрещивании двух исходных (родительских) форм (P), относящихся к "чистым линиям" (А и а), в первом дочернем поколении F1, как правило, появляются потомки одинакового фенотипа с проявлением признака либо одного из родителей, либо промежуточного между ними. Если различия родительских форм определяются одним геном (моногенно), запись скрещивания выглядит следующим образом: Р АА х аа -> F1 Аа. Это означает, что за проявление данного признака ответствен ген А, который существует в двух разных состояниях ╫ А и а. Такие альтернативные состояния гена называются аллелями (или аллельными генами). У каждого гена может быть два или большее число аллелей, а любой диплоидный организм несет только два аллеля.

Интерпретируя результаты моногибридных скрещиваний, Г.Мендель сформулировал "правило чистоты гамет ". Согласно этому правилу, любая гамета (половая клетка) диплоидного организма несет лишь по одному аллелю каждого гена, т.е. аллели в них не перемешиваются и не сливаются. Это означает, что у особей генотипа АА формируются гаметы только одного вида ╫ А, у особей генотипа аа ╫ только вида а. Особи, образующие гаметы лишь одного сорта (по крайней мере, по тому гену, который является предметом рассмотрения), носят название гомозиготных (или сокращенно ╫ гомозигот). Таким образом, очевидно, что "чистые линии" состоят из гомозиготных особей. Гибриды F1 генотипа Аа формируют гаметы двух сортов ╫ А и а, каждый из которых √чист╗ в отношении аллеля А или а. Это означает, что половые клетки особей Аа и АА несут абсолютно одинаковые аллели

546
А, а особей Аа и аа - аллели а. Организмы (или генотипы) образующие гаметы нескольких видов, называются гетерозиготными (или сокращенно - гетерозиготами). При скрещивании двух гомозиготных форм (чистых линий) AA и aa в первом поколении образуется фенотипически одинаковое потомство Это объясняется тем, что при соединении гамет генотипов А и а в результате оплодотворения формируются зиготы только одного генотипа -Аа которые имеют одинаковый фенотип. Эта закономерность известна как закон единообразия гибридов первого поколения. В его основе лежит цитологический механизм расхождения хромосом в мейозе (последовательность стадий мейоза и особенности поведения хромосом см. в разделе XI). Известно, что каждый из аллелей располагается в одной из гомологичных хромосом (или хроматид) и при расхождении хромосом (в первом делении мейоза), а затем и хроматид (во втором делении мейоза) вместе с ними в гаплоидные клетки отходит по одному из соответствующих аллелей. Таким образом, закон единообразия гибридов первого поколения является следствием основополагающего правила чистоты гамет, которое лежит в основе и других менделеевских законов наследования.

Аллели одного и того же гена могут взаимодействовать друг с другом разными способами. Если у гетерозиготы Аа проявляется фенотипическое выражение признака, одинаковое с особями генотипа АА, то аллель А полностью доминирует над а, и тогда гомозиготные особи АА имеют доминантное проявление признака, гомозиготы по а - рецессивное. Соответственно аллель А называют доминантным, аллель а - рецессивным. В этом заключается еще одно правило менделизма - правило доминирования. Если же гетерозигота имеет промежуточное между двумя родительскими формами проявление признака (например, при скрещивании растений ночной красавицы, или львиного зева, с красными и белыми цветками образуются гибриды с розовой окраской венчика) то речь идет о неполном доминировании. Иногда у гетерозигот проявляются признаки обоих родителей - это случай отсутствия доминирования, или кодоминирования.

ЗАКОН РАСЩЕПЛЕНИЯ В МОНОГИБРИДНОМ СКРЕЩИВАНИИ

При скрещивании между собой гибридов первого поколения полученных от скрещивания особей чистых линий (гомозиготных форм) во втором поколении происходит фенотипическое расщепление: 3/4 особей имеют доминантное проявление признака, 1/4 - рецессивное (см. схему 1).

Во втором поколении, получаемом в результате скрещивания гибридов F1 между собой, появляется два фенотипических класса

547
в строго определенном соотношении. Это и есть расщепление, т.е. наличие в потомстве нескольких фенотипов в конкретных численных соотношениях. Следует обратить внимание на то, что, хотя рецессивный признак одного из родителей √пропал╗ и не проявлялся в первом поколении, во втором он вновь появляется и выглядит точно так же, как и у исходной формы. Это практическое проявление правила чистоты гамет.

В таблице и под ней указаны фенотипическое и генотипическое расщепления. Они не совпадают в случае полного доминирования (как в приведенном примере), но могут и повторять друг друга, если аллели взаимодействуют по типу неполного доминирования (а также кодоминирования). При неполном доминировании одного аллеля над другим (или при их кодоминировании) в первом поколении наблюдается промежуточное проявление признака, а во втором ╫ фенотипическое расщепление на три класса в соотношении 1/4 АА : 2/4 Аа : 1/4 аа. Так, в приведенном выше примере с ночной красавицей форма АА имеет красноокрашенные цветки, аа ╫ белые, а гетерозигота Аа ╫ розовые; во втором

548
Рис.ХII.1. Наследование окраски цветков при неполном доминировании у ночной красавицы.

АА ╫ красная окраска венчика, аа ╫ белая, Аа ╫ розовая

поколении расщепления по генотипу и по фенотипу будут совпадать: 1/4 АА (красноцветковые) : 2/4 Аа (розовоцветковые) : 1/4 аа (белоцветковые) (рис.ХП.1).

Гибриды первого поколения могут скрещиваться не только с себе подобными. Если гетерозиготная особь F1 скрещивается с организмом, гомозиготным по рецессивному аллелю рассматриваемого гена, получается расщепление:

Аа х aa-> 1/2 Аа : 1/2 аа.

Такое скрещивание носит название анализирующего (рис.ХП.2). По результатам скрещивания этого вида не составляет труда установить типы образуемых гетерозиготной особью гамет и их численное соотношение, легко выяснить, какие организмы гетерозиготны, а какие гомозиготны по интересующему нас признаку.

Закон расщепления в моногибридном скрещивании справедлив и при чтении в обратном порядке: если при скрещивании двух особей получается одно из рассмотренных выше расщепле-

549
Рис.XII.2. Анализирующее скрещивание у гороха: скрещивание гибрида F1 с гомозиготной по рецессивному аллелю формой.

А ╫ аллель пурпурной окраски цветка, а ╫ аллель белой окраски

ний (при скрещивании гибридов ╫ 3:1, 1:2:1, а в анализирующем скрещивании ╫ 1:1), то исходные родительские формы отличаются по аллелям одного гена, т.е. между ними существует различие по одному гену (моногенное различие исходных форм). Такое толкование закона имеет важное значение для проведения генетического анализа, посвященного определению числа генов, по которым отличаются изучаемые формы организмов.

ДИГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ. ЗАКОН НЕЗАВИСИМОГО НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ

Дигибридным называется такое скрещивание, в котором исходные формы отличаются по двум признакам. По каждому из признаков родительские формы могут отличаться по одному гену (по признаку √А╗ ╫ по гену A, по признаку √B╗ ╫ по гену В). При скрещивании гибридов F1, полученных в дигибридном скрещивании, наблюдается расщепление по фенотипу:

9/16 А-В- : 3/16 А-bb : 3/16 ааВ- : 1/16 ааbb.

При этом признаки наследуются независимо друг от друга, и по каждому из них наблюдается обычное расщепление ╫ 3/4 : 1/4. Такое расщепление получается при полном доминировании по каждой паре признаков. Сочетания генотипов и их численные соотношения легко выводятся при рассмотрении решетки Пеннета (рис.ХII.3).

550
Рис.ХП.З. Дигибридное скрещивание: наследование окраски и формы семян у гороха.

А ╫ аллель желтой окраски семян, а ╫ аллель зеленой окраски семян; В ╫ аллель гладкой формы семян, b ╫ аллель морщинистой формы семян

551
Это расщепление легко получается как комбинированное, сочетающее два моногибридных (во втором поколении каждого из них наблюдается расщепление 3:1), при этом за каждый признак отвечает один ген:

(3/4 A- + 1/4 aa) х (3/4 B- + 1/4 bb) = 9/16 А-В- +3/16 А-bb + 3/16 ааВ- +1/16 aabb.

Такое действие правомочно, так как известно, что вероятность двух независимых событий равна произведению вероятностей каждого из них по отдельности. Этот простейший математический способ намного облегчает вывод формул расщеплений, для которого не надо прибегать к использованию решетки Пеннета. В анализирующем скрещивании аналогично получается расщепление

1 AaBb: 1 Aabb: 1 aaBb: 1 aabb.

Выполнение закона определяется независимым характером расхождения хромосом негомологичных пар в мейозе, а также тем фактом, что гены А и В расположены в разных (негомологичных) хромосомах. Независимое расхождение хромосом в мейозе приводит к возникновению новых сочетаний генов и признаков, которых не было у родительских организмов: в потомстве появляются рекомбинанты ╫ особи, несущие перекомбинированные сочетания признаков.

В практическом приложении закон независимого наследования признаков в дигибридном скрещивании позволяет определить число генов, различающих исходные скрещивающиеся формы. Если при гибридизации получается соотношение 9:3:3:1 или 1:1:1:1 (соответственно при скрещивании гетерозигот и в анализирующем скрещивании), то родительские организмы отличаются по аллелям двух генов, которые наследуются независимо, т.е. располагаются в разных негомологичных хромосомах, а по каждой паре аллелей имеется полное доминирование.

Принципиально так же получаются и расщепления в полигибридных скрещиваниях (родительские формы отличаются по нескольким или многим признакам). При их анализе можно пользоваться формулами (3/4+1/4)^n и (1/2+1/2)^n, где п ╫ число признаков (число генов, по которым отличаются исходные формы).

Все открытые Г.Менделем законы наследования отражают дискретный характер наследования: наследуется не сам признак, а определяющие его материальные факторы ╫ гены.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ

Некоторые признаки определяются не одним геном, а одновременным действием нескольких генов. В таких случаях, безус-

552
ловно, формулы расщеплений и методы анализа изменяются и усложняются. Гены, влияющие на развитие одного признака, называются взаимодействующими. Известно несколько видов такого взаимодействия генов: комплементарное, эпистатическое, полимерное.

Рассмотрим комплементарное взаимодействие генов у плодовой мушки дрозофилы (схема 2).

Доминантные аллели обоих генов, каждый из которых по отдельности имеет самостоятельное проявление (ярко-красная и коричневая окраска глаз у дрозофилы), приводят к формированию нового фенотипа, взаимно дополняя (комплементируя) друг друга (темно-красная окраска глаз дикого типа). При наличии в генотипе лишь рецессивных аллелей обоих генов признак не проявляется. Биохимический анализ позволяет дополнить эту схему. Окраска глаз у дрозофилы обусловливается двумя пигментами ╫ ярко-красным и коричневым, которые образуются в раздельных цепях биосинтеза. Рецессивный аллель b у гомозигот прерывает синтез ярко-красного пигмента, поэтому у особей bb глаза имеют коричневую окраску; аллель а нарушает синтез коричневого пигмента, в результате у гомозигот аа глаза ярко-красные; у особей А-В- синтезируется оба пигмента, и соответственно цвет глаз темно-красный; у гомозигот по обоим генам ╫ aabb ╫ не образуется ни один из пигментов: глаза у дрозофил этого генотипа бесцветные (выглядят, как белые).

Взаимодействие генов (или взаимодействие неаллельных генов) приводит к расщеплениям дигенного типа. Помимо случая, рассмотренного выше, во втором поколении могут наблюдаться расщепления 9:7, 9:6:1, 9:3:4, 12:3:1, 13:3, 15:1 (рис.ХП.4). Все они являются видоизменениями обычной формулы ╫ 9:3:3:1. Такие же модификации расщеплений характерны и для анализирующего скрещивания.

553
Рис.ХII.4. Комплементарное взаимодействие генов, определяющих форму плода тыквы (расщепление 9:6: 1)

УСЛОВИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАКОНОВ НАСЛЕДОВАНИЯ. СТАТИСТИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР РАСЩЕПЛЕНИЯ

Рассмотренные выше закономерности наследования признаков выполняются лишь при соблюдении определенных условий. Необходимо, чтобы все типы гамет образовывались с равной вероятностью, обладали одинаковой жизнеспособностью и участвовали в оплодотворении с одинаковой эффективностью, формируя все возможные типы зигот с одинаковой частотой, зиготы же должны характеризоваться равной жизнеспособностью. Степень выраженности признака также должна быть неизменной. Невыполнение хотя бы одного из таких условий искажает вид расщеплений. Например, если в моногибридном скрещивании с расщеплением в F2 1/4 АА : 2/4 Аа : 1/4 аа наблюдается избирательная гибель зигот генотипа АА, то фенотипическое расщепление будет выглядеть как 2/3 Аа : 1/3 аа.

Следует отметить, что даже при выполнении перечисленных выше условий фактическое расщепление не всегда точно соответствует теоретически рассчитанному. Дело в том, что законы наследования, открытые Менделем, проявляются на довольно большом статистическом материале. Таким образом, закономерности

554
наследования являются биологическими по сути, но имеют статистический характер проявления.

ГЕНЕТИКА ПОЛА. ПРИЗНАКИ, СЦЕПЛЕННЫЕ С ПОЛОМ

Одним из признаков у многих живых организмов является пол. Он регулируется несколькими способами. Мужской или женский пол особи может определяться воздействием условий окружающей среды (эпигамный способ дифференцировки пола), как, например, у морского кольчатого червя Bonnelia, или задаваться условиями развития яйцеклеток (прогамный способ), как у коловраток и кольчатых червей. У большинства же организмов пол определяется в момент оплодотворения (сингамно).

Как правило, пол регулируется хромосомным составом зиготы. В клетках "сингамных" видов имеются специальные половые хромосомы (Х и Y), остальные же представляют собой аутосомы. Так, у человека и других млекопитающих женские особи имеют две X-хромосомы, их кариотип может быть выражен как ХХ+2А (А ╫ гаплоидный набор аутосом), а мужские ╫ XY+2A. Женские особи являются гомогаметными, поскольку формируют лишь один тип гамет, а мужские ╫ гетерогаметными, так как производят два типа гамет. Мужские организмы в этом случае являются также и гемизиготными. Так как у них имеется всего одна Х-хромосома, то почти все гены, которые находятся в ней (не только доминантные, но и рецессивные), проявляются в фенотипе. Это происходит потому, что гены X-хромосомы, как правило, не имеют гомологов в Y-хромосоме. Она несет мало генов и поэтому является в основном генетически инертной. Как результат этой особенности мужские особи, имеющие всего один аллель рецессивного гена, расположенного в Х-хромосоме, имеют фенотип, одинаковый с гомозиготными женскими организмами, несущими два таких аллеля ╫ по одному в каждой из X-хромосом.

По такому же механизму определяется генетический пол и у большинства высших растений. У птиц и бабочек гетерогаметным полом является женский пол, а гомогаметным ╫ мужской. У них половые хромосомы часто обозначают как Z и W. У беспозвоночных регуляция пола более разнообразна. У некоторых из них (например, у некоторых клопов) самки имеют состав половых хромосом XX, самцы же несут всего одну из них ╫ (Х0). У некоторых насекомых пол определяется соотношением числа X хромосом и аутосом. У покрытосеменных растений встречаются случаи, когда принадлежность к тому или иному полу контролируется единичным числом генов.

555
Рис.ХII.5. Наследование дальтонизма ╫ признака, сцепленного с полом. Потомство от брака женщины с нормальным зрением, но гетерозиготной по гену дальтонизма, и мужчины, имеющего нормальное зрение

Если гены, определяющие формирование тех или иных фенотипических признаков, располагаются в половых хромосомах, то их наследование будет отклоняться от описанных выше закономерностей. Такие признаки называются признаками, сцепленными с полом. Если ген находится в Y-хромосоме, то он наследуется по однородительскому механизму (например, у млекопитающих, включая человека, ╫ от отца к сыну, а у птиц - от матери к дочери). Если ген располагается в X-хромосоме, наследование будет более сложным. Некоторые наследственные болезни человека, в том числе гемофилия, альбинизм и дальтонизм передаются в поколениях по этому механизму. На рис.XII.5 приведен пример наследования дальтонизма (цветовой слепоты).

СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ И КРОССИНГОВЕР

Поскольку у большинства организмов имеется множество (несколько тысяч) генов, а хромосом ╫ ограниченное число, то в одной хромосоме находятся одновременно несколько генов. Гены, локализованные в одной хромосоме, называются сцепленными и образуют группу сцепления. Наследуются они как единое целое ╫ это определяется поведением хромосомы в мейозе. В таком случае расщепления по сцепленным признакам и генам не подчиняются закону независимого наследования. Если гены расположены близ-

556
ко друг к другу, то они, как правило, сохраняются в исходных сочетаниях. Например:

или родительские

Численность рекомбинантных (или кроссоверных) классов всегда меньше, чем нерекомбинантных, и соотношение двух групп внутри каждого класса всегда равно 1:1. Величина кроссинговера, вычисляемая как процентное отношение рекомбинантов к общей численности потомства, является показателем расстояния между генами и используется для картирования хромосом ╫ расположения генов на карте хромосомы в строго определенном порядке и на фиксированных расстояниях. Эти расстояния обладают свойством аддитивности, которое заключается в следующем. Если три гена расположены в порядке А-В-С, то АС╫ расстояние между генами А и С, выраженное в процентах кроссинговера, будет равно сумме расстояний АВ и ВС, т.е. АС=АВ+ВС. Такая аддитивность однозначно свидетельствует о линейности расположения генов в хромосомах.

ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Факты, открытые при изучении генетики пола, сцепленного с полом наследования, сцепленного наследования генов и кроссинговера, привели к формулированию хромосомной теории наследственности. Ее суть заключается в следующем: все признаки и свойства живых организмов определяются генами, расположен-

557
ными в хромосомах клетки в линейном порядке. В качестве доказательств этой теории можно привести все факты, изложенные выше.