Лекция 18. Становление и развитие генетики

Идеи Менделя положили начало науке генетике. Результаты исследований Менделя были обобщены в виде трех законов наследственности в работе «Опыты над растительными гибридами» (1866). Обобщая результаты опытов по скрещиванию гороха, Мендель установил три следующих закона распределения в потомстве признаков, наследуемых у родителей:

а) закон единообразия гибридов первого поколения;

б) закон расщепления гибридов второго поколения и

в) закон независимого комбинирования (расщепления).

Согласно первому закону, из двух альтернативных родительских признаков при скрещивании в гибридах первого поколения проявляется только один из них. Так, при скрещивании гороха с желтыми семенами и гороха с зелеными семенами все гибриды первого поколения оказываются с желтыми семенами. Родительский признак, преобладающий у гибридов–потомков, Мендель назвал доминантным (от лат. dominas - господствующий), а противоположный ему, не проявляющийся в потомстве признак – рецессивным (от лат. recessus – отступление).

Производя скрещивание гибридов первого поколения, Мендель обнаружил, что среди их потомков появляется особь с ранее не проявившимся (рецессивным) признаком. Это означало, что в гибридах первого поколения рецессивный признак не исчезает совсем, а просто переходит в скрытую фазу своего существования и при первой же возможности может проявиться вновь. Данный факт привел Менделя к выводу о существовании в половых клетках организма постоянных дискретных единиц наследственности. Эти постоянные дискретные единицы наследственности в 1909 году были названы датским биологом Вильгельмом Иогансеном (1857-1927) генами (от греч. – genos – происхождение). В 1903 году Иогансен вводит понятие генотип (от греч. genos и греч. typos – отпечаток, форма, образец) для обозначения всех генов организма и свойств (признаков) последнего.

Мендель показал, что в гаметах (половых клетках) присутствует только один наследственный фактор, тогда как в клетках гибридных растений таких факторов два. Позднее в 1926 году Иогансен предложил обозначать каждый из таких факторов термином аллель (от греч. allelon – взаимно).

Под аллелем стали понимать один из пары (или нескольких) генов, определяющих варианты развития одного и того же признака.

Иначе говоря, под аллелем понимают различные формы (модификации) одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках гомологичных (парных) хромосом.

В нормальной диплоидной клетке (клетке с двумя гомологичными наборами хромосом; диплоидными являются все клетки, кроме половых) может присутствовать не более двух аллелей одновременно. Если в зиготе (оплодотворенной клетке) соединяются два одинаковых аллеля, то оплодотворенная яйцеклетка называется гомозиготой. При объединении в зиготе двух различных аллелей она будет гетерозиготной. Термины «гомозигота» и «гетерозигота» введены в 1902 году английским биологом Уильямом Бетсоном (1861- 1926), который, кстати, ввел и сам термин «генетика».

Мендель ввел буквенные обозначения альтернативных наследственных факторов. Фактор, ответственный за доминантный признак через прописную латинскую букву (например, «А»), а фактор, отвечающий за рецессивный признак – через строчную букву (например, «а»). Далее были введены обозначения: «Р» - родители, «F» - потомки, «Х» - скрещивание и др.

Данную закономерность можно продемонстрировать следующим образом. Среди гибридов второго поколения мы имеем по фенотипу 3 особи с доминантным (желтым) признаком (АА, Аа, Аа) и 1 особь с рецессивным (зеленым) признаком (аа), а по генотипу – 1 особь с парой одинаковых генов, определяющих доминантный признак (АА), 2 особи с парой альтернативных генов (Аа) и 1 особь с парой одинаковых генов, определяющих рецессивный признак (аа).

В последующих гибридных поколениях доля гибридных форм от поколения к поколению уменьшается, а доля особей с нерасщепляющимися признаками, наоборот, возрастает.

Третий закон Менделя сформулирован на основе опытов по скрещиванию дигибридных (отличающихся двумя различными признаками) особей. Все особи первого поколения являются единообразными, а в дигибридах второго поколения происходит расщепление в определенном соотношении и случайная перекомбинация признаков исходных форм. Так, например, при скрещивании сорта гороха с желтыми и гладкими семенами (АА ВВ) и другого сорта гороха, имеющего зеленые морщинистые семена (аа вв) получается следующее потомство. Потомство первого поколения является единообразным как по фенотипу (все особи обладают желтой окраской и круглой гладкой формой), так и по генотипу (каждая особь содержит весь набор родительских генов). Потомство второго поколения разнообразно и его особи распределяются следующим образом: происходит расщепление по генотипу в отношении 1:2:2:4:1:2:1:2:1, а по фенотипу в отношении 9:3:3:1.

Мендель формулирует третье правило передачи признаков по наследству, согласно которому различные родительские гены наследуются потомством независимо друг от друга.

Из трех правил Менделя вытекает общая закономерность, согласно которой при увеличении числа признаков (пар генов) родителей на n число их гамет увеличивается на 2ⁿ, количество комбинаций между признаками увеличивается на 4ⁿ, число генотипов увеличивается на 3ⁿ и число фенотипов – на 2ⁿ.

Три закона Менделя в дальнейшем получают существенное дополнение в виде закона Харди-Вайенберга. Согласно закону Харди-Вайенберга (1908 г.), популяция при свободном случайном скрещивании не меняет свою генетическую структуру, стало быть, пребывает в состоянии генетического равновесия вследствие постоянства частоты появления генотипов. Этот закон справедлив только для не встречающейся в природе идеальной, не подвергающейся воздействию отбора, мутации и др. факторов популяции.

Что же касается реально существующих в природе популяций, то они подвержены влиянию эволюционной изменчивости. Под изменчивостью понимается способность организмов изменяться под влиянием как наследственных, так и ненаследственных факторов. Различают наследственную изменчивость и ненаследственную изменчивость – модификационную.

Модификационная изменчивость суть изменения, происходящие под воздействием внешних условий и не влияющие на характер генотипа. Она носит обратимый характер и выполняет адаптивную функцию.

Изменчивость, вызываемая наследственными факторами, имеет ряд форм: онтологическая изменчивость, комбинативная изменчивость, коррелятивная изменчивость и мутационная изменчивость.

Онтологическая изменчивость – это последовательные изменения признаков особи в процессе ее индивидуального развития, в ходе которого реализуется полученная ею от родителей наследственная информация.

Комбинативная изменчивость – изменения, возникающие в результате перекомбинации признаков родительских форм (третий закон Менделя – закон независимого комбинирования).

Коррелятивная изменчивость – это относительные изменения признаков, при которых один из них меняется вместе с преобразованием других. Например, при возрастании живой массы коров возрастает удой, а при возрастании удоя уменьшается жиромолочность.

Мутационная изменчивость – это внезапные изменения отдельных признаков или их комплексов, имеющие своим источником воздействие мутагенных факторов на наследственный аппарат клетки.

Мутации бывают спонтанными, вызванными естественными факторами без вмешательства человека в процесс мутагенеза, и индуцированными, т. е. искусственно инициированными человеком.

Мутации классифицируют по фенотипу и по генотипу.

По фенотипу мутации разделяют на гипоморфные, аморфные, антиморфные и неоморфные.

Гипоморфные мутации. Это состояние, при котором проявление признака, контролируемого патологическим геном, ослаблено по сравнению с признаком, контролируемым нормальным геном. К таким мутациям относятся, например, многочисленные мутации синтеза пигментов.

Аморфные мутации. Это состояние, при котором признак, контролируемый патологическим геном, не проявляется, так как патологический ген не активен по сравнению с нормальным геном. К таким мутациям относится ген альбинизма.

Антиморфные мутации. В этом случае значение признака, контролируемого патологическим геном, противоположно значению признака, контролируемого нормальным геном. К таким мутациям относятся около 5-6 тысяч аутосомно-доминантных заболеваний.

Неоморфные мутации. О такой мутации говорят, когда признак, контролируемый патологическим геном, будет иного (нового) качества по сравнению с признаком, контролируемым нормальным геном. Например, синтез в организме новых иммуноглобулинов в ответ на проникновение чужеродных антигенов.

По генотипу мутации разделяют на генные, хромосомные и геномные.

Термин «мутация» (от лат. mutatio – изменение, перемена) принадлежит Х.Де Фризу, который в 1901 году создал теорию мутации.

В 1933 году была создана хромосомная теория наследственности, основы которой заложил американский биолог Томас Морган (1866-1945). Он выдвинул гипотезу о линейном расположении единиц наследственности генов в хромосомах, которые представляют собой важнейшие структурные элементы ядра клетки. Дальнейшими исследователями было доказано, что хромосомы являются носителями генов и именно через них осуществляется передача признаков организмов от поколения к поколению. В каждой отдельной хромосоме локализуется не один, а множество генов. Поэтому ген стали рассматривать как участок хромосомы.

Морган установил 6 новых генетических законов.

Проиллюстрируем законы наследования признаков, сцепленных с полом, установленные Морганом, на следующем примере. В брак вступают женщина-дальтоник (рецессивный признак) и мужчина с нормальным цветовосприятием. Изучая цитологическую схему данного брака, видим, что сыновья единственную Х-хромосому получают от матери, следовательно, будут иметь ее фенотип по данному признаку (дальтоники). Дочери получают одну Х-хромосому от матери (несущую рецессивный аллель дальтонизма), а другую Х-хромосому от отца (несущую доминантный аллель цветовосприятия) и будут иметь нормальное зрение. Следовательно, фенотипический признак отца перешел к дочерям, а от матери — к сыновьям (крисс-кросс наследование). В случае, если мать имеет нормальное зрение, а отец дальтоник, все дети будут иметь нормальное цветовосприятие, а если дочь с нормальным цветовосприятием, но носитель гена дальтонизма, выйдет замуж за здорового мужчину, то возможное соотношение фенотипов у детей будет 3 : 1.

Чем ближе друг к другу расположены гены в хромосоме, тем сильнее сцепление между ними и тем реже происходит их расхождение при кроссинговере, и, наоборот, чем дальше друг от друга отстоят гены, тем слабее сцепление между ними и тем чаще возможно его нарушение.

Морган, как и Мендель, поддерживал постулат «один ген – один признак», т. е. рассматривал ген как неразложимую далее единицу наследственности.

В 1944 году американский микробиолог О.Эвери открывает функции ДНК как носителя наследственной информации. Это открытие положило начало молекулярной генетике.

Отметим, что еще в 1868 году швейцарский врач Иоганн Фридрих Мишер (1844-1895) открыл нуклеиновые кислоты. Он выделил из ядер лейкоцитов человека вещество, которое назвал нуклеином. Затем он установил кислотные свойства нуклеина и в 1899 году был введен сам термин «нуклеиновые кислоты».

Позднее было установлено, что в природе существуют два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), преимущественно локализованная в ядре клетки и рибонуклеиновая кислота (РНК), расположенная как в ядре, так и в цитоплазме.

ДНК является носителем генетической информации у эукариотов и прокариотов и только у некоторых простейших вирусов наследственная информация оказывается закодированной в РНК.

Эукариоты – все организмы, клетки которых содержат оформленное ядро, отделенное от цитоплазмы оболочкой, криомембраной.

Прокариоты – организмы, лишенные оформленного ядра.

ДНК представляет собой сложный биополимер, молекула которого содержит до 10⁸ и более мономеров, каковыми являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид включает в себя три компонента: фосфорную группу (остаток фосфорной кислоты), дезоксирибозу (пентозный сахар) и одно из азотистых оснований: пуриновых – аденин либо гуанин, или пиримидиновых – тимин либо цитозин. Специфика нуклеотида в молекуле ДНК зависит от его азотистого основания, поэтому нуклеотиды принято обозначать первыми буквами их азотистых оснований: А – аденин, Г – гуанин, Т- тимин, Ц – цитозин.

В 1953 году была открыта структура ДНК. В этом же году американские ученые Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс разработали модель структуры ДНК, которая представляет собой две полимерные цепи, закрученные вокруг общей оси в правую сторону в виде двойной спирали. Нуклеотиды каждой цепи прочно соединены друг с другом фосфоэфирными связями. Соединение же самих цепей осуществляется непрочными водородными связями между азотистыми основаниями. Цепи дополняют друг друга, между ними существует комплементарная связь. Каждый виток спирали ДНК состоит из 10 пар оснований. Последовательность пар А-Т и Г-Ц в молекуле ДНК специфична. Наследственная информация закодирована в данной молекуле именно в виде последовательности нуклеотидов.

Молекула ДНК обладает удивительным свойством репликации (от англ. replication – копирование ) – самоудвоения. Именно это свойство ДНК является основой способности организмов размножаться.

Перенос генетической информации осуществляется в виде матричных процессов, в ходе которых синтезируются макромолекулы – ДНК, РНК и белков.

Много общего с ДНК имеет РНК. Вместе с тем она отличается от нее рядом особенностей, среди которых можно отметить следующие: углеводом в РНК является рибоза; в ней отсутствует тимин, но вместо него в качестве азотистого основания присутствует урацил – У (U); она представляет собой одноцепочную спираль нуклеотидов.

РНК выступает в трех основных формах: информационная РНК (иРНК) или матричная РНК (мРНК), рибосомальная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК). Все формы РНК участвуют в переносе наследственной информции.

РНК синтезируется в ходе второго процесса - транскрипции ( от англ. transcription – переписывание) ДНК. Данный процесс представляет собой перенос зашифрованной в последовательности пар нуклеотидов наследственной информации с двухцепочечной молекулы ДНК на одноцепочечную молекулу РНК. При этом матрицей для переписывания генетической информации становится лишь одна из двух цепей молекулы ДНК, называемой смысловой.

Транскрипция ДНК (т. е. синтез РНК) осуществляется при участии ферментов РНК-полимеразы. Транскрипция предшествует третьему матричному процессу – трансляции (от лат. translatio – передача) или синтезу белков. Белки, состоящие из 20 аминокислот, синтезируются на рибосомах в цитоплазме клетки, тогда как основная генетическая информация об их структуре локализована в ядре клетки, в ДНК. Следовательно, синтез белка может начаться только после переноса соответствующей генетической информации из ядра клетки на рибосомы. Содержащаяся в рибосоме, РНК выступает посредником между ДНК и синтезируемым белком.

Рибосомы - частицы, локализованные в цитоплазме клетки и состоящие из двух субъединиц – РНК и белков. В каждую из рибосом входят четыре молекулы РНК и белки.

Исходя из вышесказанного, кодирование в генетике стали понимать как соответствие последовательности нуклеотидов в ДНК и последовательности аминокислот в белке.

Постулат классической генетики «один ген – один признак» был заменен новым постулатом «один ген – одна макромолекула». Это означает, что ген начали рассматривать не как совокупность сегментов ДНК, а как участок молекулы ДНК. Он представляет собой последовательность нуклеотидов, выполняющих определенную функцию в организме. Ген имеет сложную структуру и состоит в среднем из 1000 нуклеотидных пар. При этом существуют гены-карлики (например, инсулин), имеющие всего 51 нуклеотидную пару и гены-гиганты (например, ген фактора свертываемости крови человека), состоящие из 180000 нуклеотидных пар.

В середине 20 века были открыты «прыгающие» гены (мобильные генетические элементы). Открытие было сделано американским биологом Барбарой Мак-Клинток в 1951 году. «Прыгающие» гены – это гены, способные передвигаться и менять свое местонахождение в хромосоме. Первоначально эти гены были обнаружены у кукурузы, а позднее (1968 год) у дрожжей, растений и животных.

Возникает наука геномика, которая изучает не только отдельные гены, но и целые геномы, генотипы и генофонды.

Ген – структурная и функциональная единица наследственной информации, сосредоточенная в хромосомах, контролирующая развитие определенного признака или свойства, материальный носитель наследственной информации.

Геном – совокупность генов, содержащихся в гаплоидном (одинарном) наборе хромосом. Для человека гаплоидный набор хромосом составляет 23 хромосомы.

Генотип – совокупность всех генов организма, содержащихся в диплоидном наборе хромосом. Для человека диплоидный набор хромосом составляет 46 хромосом.

Генофонд – совокупность всех генных вариаций (аллелей) определенной популяции. Можно говорить о едином генофонде вида, так как между разными популяциями вида происходит обмен генами.

Кариотип - совокупность признаков полного набора хромосом, присущих клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип). Кариотипом также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы).

Полный хромосомный набор человека называется кариотипом. У каждого человека 46 хромосом, две из которых половые: у женщин это две хромосомы Х (кариотип: 46, ХХ), а у мужчин одна хромосома Х, а другая – Y (кариотип: 46, ХY).

Генобиоз и голобиоз.

В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:

С критикой преформистской концепции эволюции выступил У.Гарвей (1578–1657). Он отверг идеи преформистов в своей «Теории зародышевого развития». Гарвей представлял процесс развития зародыша как процесс новообразования. Эта идея легла в основу эпигенеза – учения о зародышевом развитии как постепенном и последовательном новообразовании органов и частей зародыша из бесструктурной субстанции.

Крайней реакцией на преформизм явилась «теория катастроф» Ж.Кювье (1769-1832). Согласно этой теории, изменения в живой природе понимались как цепь внезапных и ничем между собой не связанных качественных скачков. Кювье полагал, что выделенные им четыре типа животных – позвоночные, моллюски, членистые и лучистые – неоднократно в прошлом полностью вымирали вследствие различных природных катаклизмов и масштабных катастроф, но каждый раз после этого они появлялись вновь в результате божественного вмешательства. По мнению Кювье, существует четыре плана строения животных, в соответствии с которыми Бог сотворил животный мир и снова творит его каждый раз, когда он погибает в результате очередной катастрофы.