Содержание:
НАСЛЕДОВАНИЕ в генетике
НАСЛЕДОВАНИЕ в генетике — передача генетической информации на уровне клетки пли целостного организма от родителей или предков детям или потомкам соответственно; осуществляется путем пере дачи генов, т. е. материального субстрата наследственности — молекул ДНК, от одного поколения другому. Воспроизведение генов связано со способностью ДНК к удвоению (репликации) при участии специфических белков—ферментов. Редкие «ошибки» репликации фиксируются в структуре генов и в дальнейшем воспроизводятся в новой, мутантной форме (см. Мутация).
Для человека характерны все известные типы наследования признаков — ко доминантный, аутосомно-доминантный, аутосомно-рецессивный и сцепленный с полом (с X-хромосомой). Это относится к наследованию дискретных или менделирую-щих признаков, обусловленных аллелями одного локуса,— так наз. моногенное наследование. Если изменчивость признака непрерывна, то говорят о мульти- или полигенном наследовании.
При аутосохмно-доминантном типе Н. в тех случаях, когда родители являются гомозиготными, один — по гену, контролирующему развитие доминантного признака, а другой — по гену, контролирующему развитие рецессивного признака, в первом поколении из пары альтернативных признаков проявляется только один — доминантный. Это явление было названо доминированием, а позднее — первым законом Менделя (см. Менделя законы). Так, ген, определяющий у человека карий цвет глаз, является доминантным и подавляет эффект рецессивного гена, контролирующего голубой цвет. Если один из родителей кареглазый и гомозиготен по этому гену (генотип АА), а другой голубоглазый и гомозиготен по рецессивному гену, контролирующему голубой цвет глаз (генотип аа), то все дети в такой семье будут гетерозиготными по гену, определяющему цвет глаз и, следовательно, кареглазыми (генотип Аа). Если один из родителей кареглазый, но гетерозиготен по гену, контролирующему цвет глаз (генотип Аа), а другой гомозиготен по рецессивному гену и, следовательно, голубоглазый (генотип аа), то в среднем половина детей от такого брака будет кареглазыми (генотип Аа) и половина — голубоглазыми (генотип аа). Вероятность рождения и тех, и других детей равна 1:1. Т.о., эффекты доминантного гена проявляются всегда, вне зависимости от того, находится ли ген в гомозиготном (АА) или гетерозиготном (Аа) состоянии. Рецессивные гены проявляют свое действие только в гомозиготном состоянии.
К 70-м гг. 20 в. у человека было известно ок. 700 нормальных и патол. признаков, развитие к-рых контролируется тем или иным аутосомным доминантным геном. В частности, описано много наследственных аномалий скелета, передача к-рых из поколения в поколение обусловлена аутосомными доминантными генами (напр., ахондроплазия, или диспропорциональная карликовость, характеризующаяся сильным укорочением конечностей). Известны родословные с аутосомно-доминантным типом наследования полидактилии (многопалости, добавочных пальцев), брахидактилии (короткопалости) и других аномалий развития.
Признаки, контролируемые доминантными генами, сравнительно легко обнаруживаются, и передачу самих генов нетрудно проследить в нескольких последовательных поколениях. Передачу потомству ау-тосомных рецессивных генов выявить значительно труднее, т. к. эти гены проявляют свои эффекты только в гомозиготном состоянии. Примером аутосомно-рецессивного типа наследования признаков является альбинизм. От брака между двумя альбиносами рождаются только дети-альбиносы, т. к. родители являются гомозиготными по гену альбинизма (генотип сс). От брака между альбиносом и человеком с нормальной пигментацией дети-альбиносы обычно не рождаются. Однако если кто-нибудь из супругов-альбиносов гетерозиготен по гену альбинизма (генотип С с), то в семье в среднем будет половина детей-альбиносов и половина — с нормальной пигментацией (соотношение 1:1).
Известно более 500 наследственных болезней, к-рые контролируются аутосомными рецессивными генами. Если для доминантно наследуемых заболеваний характерно поражение подряд нескольких поколений одной семьи (Н. по вертикали), то при рецессивном Н. нередко страдает один или несколько детей здоровых родителей. При родственных браках внешне здоровых членов семьи, в к-рой имел место случай заболевания, наследуемого по рецессивному типу, вероятность наследственно обусловленных заболеваний у детей велика, т. к. оба родителя могут оказаться скрытыми носителями мутантного гена. При этом чем ближе родство между вступающими в брак, тем больше опасность появления у детей различных наследственных болезней (см.). При ко доминантном типе наследования у детей проявляются одновременно оба признака от родителей (см. Кодоминантность).
Сцепленное с полом наследование признаков обусловлено генами, локализованными в половых хромосомах — X или Y. Примером сцепленного с полом заболевания является гемофилия. Рецессивный ген, обусловливающий несвертываемость крови, локализован в Х-хромосоме.
У женщин он может проявиться только в гомозиготном состоянии, когда обе Х-хромосомы не имеют нормального доминантного гена, что случается редко. У мужчин нет второй Х-хромосомы, вследствие чего этот рецессивный мутантный ген проявляет свое действие и возникает гемофилия. Другим примером наследования сцепленного с полом признака служит дальтонизм, или цветовая слепота, когда люди не способны различать нек-рые цвета, большей частью — красный и зеленый. Он обусловлен мутантным рецессивным геном, локализованным в Х-хромосоме. У человека описано ок. 100 различных заболеваний, контролируемых генами, локализованными на Х-хромосоме.
Существует ряд признаков, обусловленных генами, к-рые могут находиться на аутосомах или половых хромосомах обоих полов, но эти признаки проявляются лишь у одного из них. Такие признаки называют признаками, ограниченными полом. К таким признакам относятся, напр., молочность и жирность молока у крупного рогатого скота. Гены, контролирующие вторичные половые признаки у человека и животных, имеются как у мужских, так и у женских особей, но их проявление зависит от действия соответствующих половых гормонов.
Характер доминирования нек-рых признаков зависит от пола. Так, ген, вызывающий облысение, расположен в аутосоме и является доминантным у мужчин, но рецессивным у женщин.
Такие признаки человека, как рост, вес, телосложение, устойчивость к заболеваниям, частота сердечных сокращений, артериальное и венозное давление, долголетие (количественные признаки), наследуются в результате суммарного действия многих генов различных локусов. Чаще всего гены, образующие полиген-ную систему, в отдельности дают слабый эффект, а их суммарное действие оказывается достаточно сильным. Напр., певческий голос у человека в значительной степени определяется полигенной системой, на что указывает анализ родословных знаменитых певцов. Становление певческого голоса зависит от анатомических особенностей грудной клетки, силы дыхательной мускулатуры, объема легких, так же как и особенностей в строении губ, языка и носовой полости, к-рые находятся под контролем наследственных факторов, образующих полигенную систему, определяющую в нек-рых случаях появление красивого певческого голоса.
Степень проявления генных эффектов при полигенном Н. во многом зависит от факторов окружающей среды. Напр., индивид, имеющий предрасположение к худощавости, при избыточном питании может по весу превосходить человека с наследственно обусловленной тучностью, если последний придерживается соответствующей диеты.
Существовало мнение, что если человек достиг больших успехов в какой-либо области своей деятельности, то развитые в результате упорного труда способности могут передаться его детям. Однако такие взгляды не были основаны на научных фактах и носили упрощенческий характер; личные качества человека, приобретенные им в течение жизни, передаваться но наследству не могут. Многочисленные факты передачи от родителей детям определенных наклонностей, привычек и мастерства в какой-либо области связаны с подражанием ребенка родителям и направленным его воспитанием.
Библиография: Барашнев Г. И. и Вельтищев Ю. Е. Наследственные болезни обмена веществ у детей, JI., 1978, библиогр.; Бочков Н. П. Генетика человека, М., 1978; Давиденко ва Е. Ф. и JI и б e р м а н И. С. Клиническая генетика, JI., 1975, библиогр.; Дубинин Н. П. Общая генетика, М., 1976; McKusick V. Mendelian inheritance in man, Baltimore, 1978.
ТЕМА: ГЕНЕТИКА - НАУКА О НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ ЖИВОГО. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ НАСЛЕДОВАНИЯ.
Зарождение генетики как науки явилось естественной научной закономерностью развития естествознания второй половины XIX и начала XX века. Бурное развитие и становление ее уже на самых ранних этапах было обусловлено той значимостью и фундаментальностью, которую несли в себе основные законы наследования, впервые открытые Г. Менделем (1865) и повторно открытые в 1900 году. Именно они обеспечили в биологии утверждение теории дискретной наследственности, революционная сущность которой заключалась в доказательстве существования отдельных элементов наследственности - генов, передача которых из поколения в поколение совершается упорядоченно. Возникнув на основе эмпирически открытых законов наследования, современная генетика представляет собой огромную область естествознания, познающую материальную природу наследственности и изменчивости, закономерности проявления этих свойств на всех уровнях организации живого. Развиваясь в тесном содружестве с другими биологическими дисциплинами, генетика вносит существенный вклад в укрепление и развитие диалектико-материалистического мировоззрения современной биологии.
1. Изучить предмет задачи и методы генетики.
2. Изучить этапы ее формирования и основные генетические понятия.
3. Изучить основные закономерности наследования признаков. Познакомиться с менделирующими признаками человека.
II. ИСХОДНЫЕ ЗНАНИЯ:
1. Знать молекулярный и хромосомный уровни организации наследственного материала.
2. Иметь четкие представления об организации потока информации в клетке и его реализации в виде конечных биохимических продуктов.
3. Понимать биологическую сущность и знать механизмы, обеспечивающие генетические различия между соматическими и половыми клетками.
III. ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:
1. Предмет и задачи генетики. Понятие о наследственности как свойстве живого.
2. Основные этапы развития генетики и их характеристика.
3. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии представлений о наследственности и изменчивости живого.
4. Основные понятия генетики: ген, генотип, фенотип, гомозиготность, гетерозиготность, гемизиготность.
5. Наследование как процесс передачи биологической информации о признаках и свойствах из поколения в поколение в процессе размножения.
6. Анализ закономерностей наследования как метод познания сущности и законов наследственности.
7. Моногенное наследование как механизм передачи потомству качественных характеристик. Роль аллельных генов.
8. Моногибридное скрещивание. Правило расщепления гибридов второго поколения. Доминантность и рецессивность.
9. Ди- и полигибридное скрещивание. Независимое комбинирование неаллельных генов. Решетка Пеннета. Условия менделирования признаков.
10. Анализирующее скрещивание.
11. Типы наследования. Менделирующие признаки человека.
2. Биология (ред. В.Н. Ярыгин). - М.: Высшая школа, 1997-2000. - Кн. 1. - С. 234–237; 240–243.
3. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. - М.: Высшая школа, 1989. - С. 7–14, 17–32, 39–42.
4. Гофман-Кадошников П.Б. Задачник по общей и медицинской генетике. - М., 1969.
5. Хелевин Н.В. и др. Задачник по общей и медицинской генетике. -. М., 1984.
6. Иванов В.П., Солодилова М.А., Гребеник Л.А., Кириленко А.И. Трубникова Е.В., Васильева О.В., Рыжаева В.Н. Биология: Учебно-методическое пособие для студентов медицинских вузов. - Курск, 2010.
V. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:
1. Дайте определение понятию "генетика".
2. Охарактеризуйте предмет исследования и перечислите задачи генетики как науки.
3. Почему наследственность и изменчивость называются фундаментальными свойствами живого?
4. Раскройте сущность диалектического единства наследственности и изменчивости как основы существования биологических систем.
5. Охарактеризуйте основные этапы развития генетики.
6. Перечислите имена выдающихся отечественных и зарубежных ученых и рассмотрите сущность их достижений в истории генетики.
7. Дайте определение основным понятиям генетики: ген (аллельные и неаллельные гены), генотип, фенотип, гомозиготность, гетерозиготность, гемизиготность. Приведите примеры.
8. Дайте определение понятию "наследование" и рассмотрите его отличие от понятия "наследственность".
9. Моно- и полигенное наследование. Роль аллельных генов.
10. Дайте характеристику моно-, ди- и полигибридному скрещиванию.
11. Раскройте биологическую сущность доминантности и рецессивности.
12. Сформулируйте законы наследования и представьте их графически. Условия менделирования признаков.
13. В чем заключается биологическая сущность основных законов наследственности?
14. Что такое анализирующее скрещивание?
15. Перечислите основные типы наследования признаков и рассмотрите, что лежит в основе их проявления.
16. Перечислите известные менделирующие признаки человека, рассмотрите возможные типы браков по этим признакам, а также фено- и генотипическую характеристику по этим признакам последующих поколений.
Основные законы наследования и наследственности
Мы обращали внимание на то, что наследственность и наследование — два разных явления, которые не все строго различают.
Наследственность есть процесс материальной и функциональной дискретной преемственности между поколениями клеток и организмов. В основе ее лежит точная репродукция наследственно значимых структур.
Наследование — процесс передачи наследственно детерминированных признаков и свойств организма и клетки в процессе размножения. Изучение наследования позволяет раскрывать сущность наследственности. Поэтому следует строго разделять указанные два явления.
Рассмотренные нами закономерности расщепления и независимого комбинирования относятся, к изучению наследования, а не наследственности. Неверно, когда «закон расщепления» и «закон независимого комбинирования признаков-генов» трактуются как законы наследственности. Открытые Менделем законы являются законами наследования.
Во времена Менделя считали, что при скрещивании родительские признаки наследуются в потомстве слитно («слитная наследственность») или мозаично — одни признаки наследуются от матери, другие от отца («смешанная наследственность»). В основе таких представлений лежало убеждение, что в потомстве наследственность родителей смешивается, сливается, растворяется. Такое представление было ошибочным. Оно не давало возможности научно аргументировать теорию естественного отбора, и на самом деле, если бы при скрещивании наследственные приспособительные признаки в потомстве не сохранялись, а «растворялись», то естественный отбор работал бы вхолостую. Чтобы освободить свою теорию естественного отбора от подобных затруднений, Дарвин выдвинул теорию наследственного определения признака отдельными единицами — теорию пангенеза. Однако она не дала правильного решения вопроса.
Успех Менделя обусловлен открытием метода генетического анализа отдельных пар наследственных признаков; Мендель разработал метод дискретного анализа наследования признаков и по существу создал научные основы генетики, открыв следующие явления:
- каждый наследственный признак определяется отдельным наследственным фактором, задатком; в современном представлении эти задатки соответствуют генам: «один ген — один признак», «один ген — один фермент»;
- гены сохраняются в чистом виде в ряду поколений, не утрачивая своей индивидуальности: это явилось доказательством основного положения генетики: ген относительно постоянен;
- оба пола в равной мере участвуют в передаче своих наследственных свойств потомству;
- редупликация равного числа генов и их редукция в мужских и женских половых клетках; это положение явилось генетическим предвидением существования мейоза;
- наследственные задатки являются парными, один — материнский, другой — отцовский; один из них может быть доминантным, другой — рецессивным; это положение соответствует открытию принципа аллелизма: ген представлен минимум двумя аллелями.
Таким образом, Мендель, открыв метод генетического анализа наследования отдельных пар признаков (а не совокупности признаков) и установив законы наследования, впервые постулировал и экспериментально доказал принцип дискретной (генной) детерминации наследственных признаков.
На основании изложенного нам представляется полезным различать законы, непосредственно сформулированные Менделем и относящиеся к процессу наследования, и принципы наследственности, вытекающие из работы Менделя.
К законам наследования относятся закон расщепления наследственных признаков в потомстве гибрида и закон независимого комбинирования наследственных признаков. Эти два закона отражают процесс передачи наследственной информации в клеточных поколениях при половом размножении. Их открытие явилось первым фактическим доказательством существования наследственности как явления.
Законы наследственности имеют другое содержание, и они формулируются в следующем виде:
Первый закон — закон дискретной (генной) наследственной детерминации признаков; он лежит в основе теории гена.
Второй закон — закон относительного постоянства наследственной единицы — гена.
Третий закон — закон аллельного состояния гена (доминантность и рецессивность).
Именно эти законы представляют собой главный итог работ Менделя, так как именно они отражают сущность наследственности.
Менделевские законы наследования и законы наследственности являются основным содержанием генетики. Их открытие дало современному естествознанию единицу измерения жизненных процессов — ген и тем самым создало возможности объединения естественных наук — биологии, физики, химии и математики с целью Анализа биологических процессов.
В дальнейшем при определении наследственной единицы мы будем употреблять только термин «ген». Понятия «наследственный фактор» и «наследственный задаток» громоздки, и, кроме того, вероятно, наступило время, когда наследственный фактор и ген следует различать и вложить в каждое из этих понятий свое содержание. Под понятием «ген» мы пока будем иметь в виду далее неделимую функционально целостную единицу наследственности, определяющую наследственный признак. Термин «наследственный фактор» следует толковать в более широком смысле как комплекс ряда генов и цитоплазматических влияний на наследственный признак.
Под типом наследования обычно понимают наследование того или иного признака в зависимости от того, в аутосомной или половой хромосоме располагается определяющий его ген (аллель), а также является ли он доминантным или рецессивными. В связи с этим выделяют следующие основные типы наследования: 1) аутосомно-доминантный, 2) аутосомно-рецессивный, 3) сцепленное с полом доминантное наследование и 3) сцепленное с полом рецессивное наследование. Из них отдельно выделяют 4) ограниченный полом аутосомный и 5) голандрический типы наследования. Кроме того, существует 6) митохондриальное наследование.
При аутосомно-доминантном типе наследования аллель гена, определяющий признак, находится в одной из аутосом (неполовых хромосомах) и является доминантным. Такой признак будет проявляться во всех поколениях. Даже при скрещивании генотипов Aa и aa, он будет наблюдаться у половины потомства.
В случае аутосомно-рецессивного типа признак может не проявляться у одних поколений и проявиться у других. Если родители гетерозиготы (Aa), то они являются носителями рецессивного аллеля, но обладают доминантным признаком. При скрещивании Aa и Aa, ¾ потомков будут иметь доминантный признак, а ¼ рецессивный. При скрещивании Aa и aa у ½ рецессивный аллель гена проявит себя у половины потомков.
Аутосомные признаки проявляются с одинаковой частотой у обоих полов.
Сцепленное с полом доминантное наследование похоже на аутосомно-доминантное с одним лишь различием: у пола, чьи половые хромосомы одинаковы (например, XX у многих животных это женский организм), признак будет проявляться в два раза чаще, чем у пола с разными половыми хромосомами (XY). Это связано с тем, что если аллель гена находится в X-хромосоме мужского организма (а у партнера такого аллеля вообще нет), то все дочери будут его обладателями, и ни один из сыновей. Если же обладателем сцепленным с полом доминантным признаком является женский организм, то вероятность его передачи одинакова обоим полам потомков.
При сцепленном с полом рецессивном типе наследования также может наблюдаться проскок поколений, как и в случае аутосомно-рецессивного типа. Это наблюдается, когда женские организмы могут быть гетерозиготами по данному гену, а мужские не несут рецессивный аллель. При скрещивании женщины-носителя со здоровым мужчиной у ½ сыновей проявится рецессивный ген, а ½ дочерей будут носителями. У человека так наследуются гемофилия и дальтонизм. Отцы никогда не передают ген болезни своим сыновьям (так как передают им только Y-хромосому).
Аутосомный, ограниченный полом, тип наследования наблюдается, когда ген, определяющий признак, хоть и локализуется в аутосоме, но проявляется только у одного из полов. Так, например, признак количества белка в молоке проявляется только у самок. У самцов он не активен. Наследование примерно такое же как при сцепленном с полом рецессивном типе. Однако здесь признак может передаваться от отца к сыну.
Голандрическое наследование связано с локализацией исследуемого гена в половой Y-хромосоме. Такой признак, независимо от того доминантный он или рецессивный, проявится у всех сыновей и ни у одной дочери.
Митохондрии обладают собственным геномом, что обуславливает наличие митохондриального типа наследования. Поскольку только митохондрии яйцеклетки оказываются в зиготе, то митохондриальное наследование происходит только от матерей (и к дочерям и к сыновьям).
Как происходит наследование
До работ Грегора Менделя не существовало научной теории, правильно объясняющей законы наследования, и, по мудрому выражению Бальзака, наследственность была «лабиринтом, из которого наука не могла найти выход».
Рождение генетики относят к 1900 г. и связывают с именем монаха Грегора Менделя. Этот скромный человек, не располагавший ни современными лабораториями, ни коллективом сотрудников, имевший в своем распоряжении только небольшой клочок земли, смог провести на первый взгляд очень простые опыты с горохом. Однако полученные им результаты и их гениальное обобщение позволили Менделю впервые сформулировать законы наследования и создать прочную основу для генной теории.
О значении для науки Менделя и его работ хорошо сказал известный американский генетик Рейвин: «Он поднялся на высочайшую ступень, представив абстрактное, но вместе с тем доступное экспериментальной проверке объяснение своих открытий. Его теоретический труд следует расценивать как создание новой биологической науки о передаче наследственных задатков от родителей потомству». Принципы наследственности, установленные Менделем, почти так же важны для биологии, как в свое время атомная теория Дальтона для химии.
В этой книге мы не будем вдаваться в сложные детали механизма наследования. Это специальная область. Читатель при желании углубить свои знания может получить эти сведения из талантливых книг Н. Лучника «Почему я похож на папу» или Шарлотты Ауэрбах «Наследственность» и других научно-популярных изданий. В этой главе мы дадим лишь краткое, элементарное описание механизма наследования, стараясь не перегружать читателя новыми понятиями и терминами.
Незыблемым законом живой природы является воспроизведение себе подобных, что позволяет сохранять преемственность между прошлым и настоящим.
Новый человеческий организм возникает в результате оплодотворения яйцеклетки (зиготы) женщины сперматозоидом (половой клеткой) мужчины. Таким образом, половые клетки являются как бы живым «мостиком», связывающим поколения между собой. Однако оплодотворенное яйцо — это только первый этап зарождающейся жизни. В процессе последующего развития оно должно пройти целую цепь сложных превращений в утробе матери, прежде чем появится на свет ребенок. Для благоприятного развития оплодотворенного яйца требуется соблюдение целого ряда условий, нарушение которых может привести к его неправильному развитию и даже гибели. Эмбриологи, изучающие интимные процессы развития зародыша человека, смогли установить, что вскоре после оплодотворения яйцо подвергается клеточному делению и превращается в многоклеточный организм. Эти клетки будут использованы как строительный материал («кирпичики») для создания тканей и органов будущего человека. Ученые считают, что к моменту рождения на формирование организма ребенка требуется около 200 миллиардов клеток. Очень важной особенностью каждой клетки является то, что она несет в себе огромный запас генетической информации. По мнению одного из исследователей, каждая клетка как бы располагает обширной библиотекой, в которой зафиксировано как прошлое человечества, так и перспектива его последующей жизни — генетическая программа индивидуального развития.
Но как же все-таки происходит наследование?
Дело в том, что клетка имеет свои особенности, объясняющие механизм передачи наследственности. В каждой клетке два главных структурных и биохимических компонента: цитоплазма и ядро. В клеточных ядрах располагаются хромосомы — нитевидные образования, являющиеся носителями генетической информации. Для здорового человека характерно постоянное количество (ровно 46), величина и форма хромосом, определяемые понятием кариотип. В ядрах соматических клеток, т. е. клеток, образующих ткани человека, содержится 23 пары хромосом. Причем 22 пары хромосом (одинаковые как для мужчин, так и для женщин) получили название аутосом. 23-я пара относится к половым хромосомам: для женщин характерно наличие XX хромосом, а для мужчин — ХУ. Таким образом, формулу хромосомного набора для женщины можно представить как 44+ХХ, а для мужчин — 44+ХУ.
У читателя может возникнуть недоумение: а каково же будет число хромосом при слиянии мужской и женской половых клеток при оплодотворении? 46+46 = 92? Нет, так не происходит! Природа, стремясь к постоянству сохранения различных представителей животного и растительного мира, «предприняла» необходимые меры. Цитологи (ученые, изучающие клетку) смогли установить, что половые клетки (гаметы), принимающие участие в оплодотворении, в своем клеточном ядре несут неполный, а половинный набор хромосом, т. е. не 46, а 23. При оплодотворении происходит восстановление хромосомного набора до 46. Для наглядности обратимся к общепринятой схеме и проследим передачу наследственного материала от родителей детям. На рисунке слева обозначен отец, для которого характерно наличие половых хромосом ХУ, а справа — мать, у которой имеются две X хромосомы — XX.
Исходная к моменту деления клетка при первом, редукционном делении образует две дочерние клетки, имеющие по 23 хромосомы каждая. При втором делении (мейотическом) образуются четыре дочерние клетки, каждая их которых также содержит по 23 хромосомы. При слиянии сперматозоида и яйцеклетки общее число хромосом удваивается и снова становится равным 46. Таким образом, будущий ребенок получает половину хромосом от матери, а другую половину — от отца. Это очень важный факт, говорящий о том, что за состояние здоровья будущего ребенка одинаково ответственны и мать, и отец.
Итак, хромосомы являются носителями генетической информации. А каков же химический состав этих таинственных образований? Этот вопрос волновал ученых многие годы, заставлял искать новые методологические пути для решения этой сложной задачи. Успех пришел в результате интенсивных научных изысканий биохимиков и физиков. Стало известным, что основным химическим компонентом хромосомы является двуспиральные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, которую сокращенно принято теперь называть ДНК. Таким образом, ДНК следует рассматривать как материальную основу наследственности в клетке.
Однако, как ни грандиозен был успех в познании сущности наследственного вещества, он все же не давал ответа на многие вопросы. Возникла необходимость в более детальном изучении строения ДНК для того, чтобы представить механизмы и закономерности записи и воспроизведения генетической информации. Здесь, видимо, следует упомянуть, что молекулярные основы наследственности были изучены не на человеке, а на мельчайших живых организмах — вирусах и бактериях. Это объясняется тем, что для химического анализа было необходимо проведение исследований на изолированной клетке. Организм же человека, как мы уже упоминали, состоит из миллиардов тесно взаимодействующих клеток, и выделение одной изолированной клетки является трудной задачей. Самым удобным объектом для этого и оказались более простые по своему строению организмы — вирусы и бактерии, клетки которых хорошо культивируются в лабораторных условиях. Проведенные исследования показали, что информация, определяющая те или иные признаки организма, заложена в отдельных участках большой молекулы ДНК. Эти участки и принято называть генами — единицами наследственности.
Известно, что гены, входящие в состав хромосом, располагаются в линейном порядке и «отвечают» за определенный признак организма. Генетиками эта особенность обобщается в своего рода формулу: «один ген — один признак». Если раньше подразумевали, что один ген «отвечает» за какой-либо определенный признак, то в настоящее время известно, что каждый ген контролирует определенную биохимическую реакцию, протекающую в организме. Формула была уточнена: «один ген — один фермент». В последующем — как пишет лауреат Нобелевской премии, один из создателей модели молекулярной структуры ДНК Дж. Уотсон — «стало ясно, что между геном и признаком не существует простого соотношения и что все сложные признаки организма контролируются многими генами». Вся совокупность генов организма, полученная от родителей, составляет его генотип. Наряду с термином «генотип» генетиками используется и другой термин, о котором читателю необходимо знать, — «фенотип». Под фенотипом подразумевается комплекс внешних признаков организма, проявляющихся в процессе жизни.
Для медиков эти понятия не абстракция. Они очень важны и могут быть использованы в диагностике целого ряда наследственных дефектов, так как для некоторых заболеваний с известным генотипом характерен свой специфический фенотип.
При этом на основании фенотипических (внешних) проявлений врач, однажды увидев ребенка с болезнью Дауна, может диагностировать это наследственное заболевание, даже не проводя специальных цитогенетических исследований.
В то же время хорошо известно, что далеко не всегда имеется четкая взаимосвязь между генотипом и фенотипом. Очень часто для наследственных заболеваний свойственен свой определенный генотип (и в этом их различие), в то время как фенотипические, внешние признаки могут быть сходными. Это значительно затрудняет для врача своевременную постановку правильного диагноза. Так, хроническое воспаление легких (ненаследственное заболевание) по своим признакам очень похоже на муковисцидоз (наследственное заболевание, обусловленное поражением поджелудочной железы). Обычный рахит, связанный с недостатком витамина D, крайне трудно бывает отличить от так называемых рахитоподобных заболеваний наследственной природы: синдром Де Тони — Дебре — Фанкони, фосфатдиабет, гипофосфатазия и др.
Каждый ген в хромосоме занимает определенное место (локус). В хромосомах одной пары (одна, полученная от матери, другая — от отца) гены, занимающие одинаковые положения и контролирующие один и тот же признак организма, называются аллельными. Следовательно, каждый организм обладает аллельными генами. Поскольку два аллельных гена контролируют один и тот же признак, например, производство одного и того же продукта (фермента, пигмента и пр.), они по отношению друг к другу находятся в конкурентных взаимоотношениях. Если, к примеру, рассмотреть наследование цвета радужной оболочки глаз, то «борьба» аллельных генов состоит в том, что один из них «пытается» окрасить глаз будущего ребенка в голубой цвет, а другой — в карий или черный. Здесь следует принять во внимание, что у каждого организма парные гены могут быть или одинаковыми, или разными. Если ребенок получил от отца и матери одинаковые парные гены, контролирующие, например, голубой цвет радужной оболочки глаз, то цвет глаз ребенка будет такой же, как у матери и отца. Такой организм, имеющий одинаковые партнерные гены, называется гомозиготным по этому признаку. В тех же случаях, когда парные гены разные, организм по этому признаку является гетерозиготным.
При этом мать может иметь глаза голубого цвета, а отец — карие. Вот трудная дилемма, возникающая перед ребенком: кому угодить — отцу или матери? К счастью, ребенок не может решить эту проблему сам, и природа не ставит перед ним этот коварный вопрос. Передача наследственного признака подчиняется точно сформулированным законам Грегора Менделя, согласно которым аллельные гены могут быть доминантные и рецессивные. Известно, что аллель, отвечающий за карий или черный цвет радужки, является доминантным (превалирующим) по отношению к рецессивному голубому. В гетерозиготном организме всегда доминирует карий цвет. Следовательно, у ребёнка будут карие глаза.
Тем не менее, могут встречаться семьи, в которых кареглазые родители имеют голубоглазых детей. Для недоумевающих супругов следует иметь в виду, что в подобных ситуациях необходимо припомнить цвет глаз своих ближайших родственников. Нередко дед или бабушка по линии матери или отца имели голубой цвет глаз, т. е. родители ребенка были гетерозиготами.
Эффект этого «голубого» рецессивного гена проявляется только в гомозиготном состоянии. Однако по внешнему виду невозможно определить, кто из двух родителей с карими глазами гомозиготен или же гетерозиготен по гену, контролирующему карий цвет глаз, ведь глаза у обоих родителей одного и того же цвета — карие.
Гены обладают и другими свойствами, которые необходимо иметь в виду. Например, ген может оказывать свое влияние не только на какой-либо один, а на многие признаки. В этих случаях генетики говорят о явлении плейотропности гена. Хорошо известно, что большинство признаков человека и животных зависит от многих генов.
Как уже упоминалось ранее, в этой главе нами не преследовалась цель дать детальное описание механизма наследования. Мы считали возможным ограничиться только самой простой схемой, минимумом понятий и терминов.
Нам хотелось показать, что наследственность, окутанная в течение многих веков тайной, познаваема и имеет материальную основу в виде заключенных в хромосомы молекул ДНК.
Наследование (биология)
Наследование — передача генетической информации (генетических признаков) от одного поколения организмов к другому [1] . В основе наследования лежат процессы удвоения, объединения и распределения генетического материала, поэтому закономерности наследования у разных организмов зависят от особенностей этих процессов [2] .
В зависимости от локализации генов в клетке эукариот различают ядерное и цитоплазматическое наследование. В свою очередь ядерное наследование можно подразделить на аутосомное и сцепленное с полом. На основе характера проявления признаков в гетерозиготе выделяют также наследование с полным и неполным доминированием. Различают также зависимое от пола наследование (у признаков, проявляющихся по-разному у особей разного пола), а также ограниченное полом наследование [2] . В последнее время выделяют также эпигенетическое наследование, которое определяет закономерности наследования импринтируемых генов и признаков, определяемых генами инактивируемой Х-хромосомы у особей женского пола.
У прокариот и вирусов наблюдают иные законы и типы наследования.
Типы наследования
Хромосомное наследование
Мнение о том, что хромосомы — подходящие кандидаты на роль материальных носителей наследственности, одним из первых высказал Август Вейсман. В своей «Эволюционной теории», вышедшей в 1903 году, Вейсман отнёс наследственное вещество, называемое им зародышевой плазмой, к ядру половых клеток, а затем — к хромосомам и хроматину. Он это сделал потому, что, судя по цитологическим данным, хромосомы вели себя именно так, как им следовало себя вести, если бы они представляли собой вещество наследственности: они удваивались и разделялись на две равные группы при делении соматических клеток; число их уменьшалось вдвое при образовании гамет, предшествующем смешиванию мужского и женского вкладов во время оплодотворения [3] .
Хромосомы, заключённые в ядре клетки, являются носителями генов и представляют собой материальную основу наследственности.
Цитоплазматическое наследование
Цитоплазматическое наследование отличается от ядерного по нескольким параметрам. Во-первых, цитоплазматические гены присутствуют в сотнях и тысячах копий в каждой клетке, поскольку в клетке может быть множество органелл, каждая из которых содержит несколько молекул ДНК. Во-вторых, гены органелл расходятся при делении клеток по дочерним клеткам совершенно случайно и в смысле числа копий, и в смысле аллельного состава. В-третьих, цитоплазматические гены передаются, как правило, только через женские гаметы. В-четвёртых, цитоплазматические гены крайне редко рекомбинируют, и процесс рекомбинации ДНК органелл описан только для соматических клеток. В-пятых, цитоплазматические гены могут реплицироваться неоднократно за один клеточный цикл [4] .
Цитоплазматическая ДНК может находиться в состоянии гетероплазмии, когда в одной органелле, клетке, органе или организме сосуществуют несколько вариантов цитоплазматических генов, или в состоянии гомоплазмии, когда не наблюдается различий по цитоплазматическим генам.
Явление нехромосомного (внехромосомного, внеядерного, цитоплазматического) наследования было открыто в 1909—1910 году немецкими исследователями Карлом Корренсом и Эрвином Бауром. В 1909 году К. Корренс сообщил, что при изучении декоративного растения Mirabilis jalapa (ночная красавица) он обнаружил, что окраска листьев (зеленая или пёстрая) наследуется не по Менделю и зависит от материнского растения. Независимо от него в том же выпуске журнала Э.Баур опубликовал статью, в которой также описывал неменделевское наследование признаков при скрещивании пёстролистных растений герани Pelargonium, связанным, по предположению Э.Баура, с наследованием пластид по материнской и отцовской линии [5] . В 1910 году Э.Баур опубликовал результаты экспериментов с пестролистными растениями львиного зева Antirrhinum majus, в которых наследование цвета побегов было исключительно материнским. Э.Баур дал правильную интерпретацию явления неменделевского наследования пёстролистности, считая, что хлоропласты, как и ядро, несут наследственные факторы, способные мутировать, а при митозе пластиды распределяются случайным образом [4] .
Митохондриальное наследование
Для митохондриальной ДНК (мтДНК) характерно однородительское наследование, и в большинстве случаев зигота получает все свои митохондрии от матери. Существуют механизмы, которые практически полностью предотвращают передачу отцовских митохондрий следующему поколению. Есть некоторые исключения из этого правила. В некоторых группах растений и грибов обнаружено наследование митохондрий от обоих родительских организмов. У некоторых видов двустворчатых моллюсков отцовские митохондрии наследуются клетками зародышевого пути, в то время как соматические клетки получают мтДНК от матери, такое наследование можно назвать двойным однородительским наследованием [6] .
У млекопитающих митохондрии передаются строго по материнской линии, после оплодотворения митохондрии сперматозоида уничтожаются на стадии дробления. В яйцеклетке 150—200 тыс. митохондрий и количество мтДНК колеблется примерно в этом же диапазоне. Отсюда следует, что каждая митохондрия в яйцеклетке содержит одну-две молекулы мтДНК. Наличие лишь одной-двух молекул мтДНК в митохондрии обеспечивает более яркое фенотипическое проявление её мутаций. Вероятно, это позволяет на ранних стадиях развития очистить пул митохондрий от дефектных собратьев, которые узнаются и уничтожаются специальными клеточными структурами — митофагами, играющими в клетке роль мусорщиков [7] . Установлено, что у млекопитающих гетероплазмия даже по нейтральным мутациям в мтДНК достаточно быстро, в течение считанных поколений, сменяется гомоплазмией [8] . Это позволило выдвинуть концепцию прохождения мтДНК через бутылочное горлышко на одной из стадий развития. Действительно, после оплодотворения зиготические деления не сопровождаются делениями митохондрий, в результате чего количество митохондрий на клетку снижается с 200 тыс. в яйцеклетке до 5 тыс. на клетку в бластоцисте [8] . После имплантации, в ходе дальнейшей дифференцировки клеток, обособляются первичные половые клетки, гоноциты, в которых наблюдается наименьшее число митохондрий на клетку — 10. Таким образом, митохондрии, которые участвуют в формировании предшественников половых клеток, составляют лишь малую часть (0.01 %) от всего изначального пула митохондрий зиготы. Из-за резкого уменьшения количества митохондрий (примерно в 20 тыс. раз) в клетке сильно сокращается разнообразие мтДНК, а вкупе с механизмом уничтожения дефектных митохондрий это должно обеспечивать передачу следующему поколению только правильно работающих митохондрий [7] .