WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

Pages:   || 2 |

«ВОПРОСЫ ГЕНЕТИКИ ПОД РЕДАКЦИЕЙ ДО НТОРА БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК в. в. хвостовой ИЗДАТЕЛЬСТВО «ПРОСВЕЩЕНИЕ» Москьа 1967 Рецензенты: доктор Апологических наук Лобагиев Михаил Ефимович и ...»

-- [ Страница 1 ] --

В. Ф. НАТАЛИ

ОСНОВНЫЕ

ВОПРОСЫ

ГЕНЕТИКИ

ПОД РЕДАКЦИЕЙ

ДО НТОРА

БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК

в. в. хвостовой

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ПРОСВЕЩЕНИЕ»

Москьа 1967

Рецензенты: доктор Апологических наук Лобагиев Михаил Ефимович и доктор биологических наук Керкис Юлий Яковлевич .

Натали В. Ф .

Н 33 Основные вопросы генетики. Под ред. д-ра биологических наук В. В. Хвостовой. М., «Просвещение», 1967 .

208 с плл.; 1 л. илл .

В. Ф. Н а та л и бы л соврем ен н и к ом б о л ьш и н ства о тк р ы ти й в ген ети ке, что н а ш л о о т р а ж е н н о в е го к н и г е. В н е й о с в е щ е н о с н о в н о й п у т ь р а з в и т и я г е н е ­ ти к и. Б ольш ое вн и м ан и е авто р у д е л я ет и зл о ж ен и ю эксп ери м ен тов, п од твер­ ж д а ю щ и х з а к о н о м е р н о с т и о с н о в н ы х п о л о ж е н и й г е н е т и к и. П о э т о м у м н о ги е г е н е т и ч е с к и е п о л о ж е н и я о б о с н о в ы в а ю т с я о п ы т а м и с д р о зо ф и л о й .

lic e и з л о ж е н н ы е о с н о в н ы е ф акты и закон ом ерности дан ы на соврем ен­ н о м у р о в н е р а з в и т и я ге н е т и к и, 2- 1 0 - 2 198—67



ВВЕДЕНИЕ

Наследственность — одна нз важнейших особенностей живых организмов. С очень давних времен это интересовало человека .

Люди не могли ие замечать сходства между родителями и деть­ ми, стойкую передачу из поколения в поколение видовых призн а­ ков известных им животных и растений .

С тех давних пор, когда человек начал культивировать расте­ ния, приручать и разводить животных, он все больше встречался загадкой наследственности .

с Однако при всем этом наука, и зучающая насдедс-твенность. — генетика — одна из самых молодых биологических наук, вступивпТая лиш ь во второе столетие своего развития .

У ученых-биологов интерес к вопросам наследственности осо­ бенно возрос во второй половине X IX столетия. Это было связано с тем, что в X I X в. в некоторых странах, особенно в Англии, боль­ ше обращали внимание на получение новых, более продуктивных пород скота и сортов сельскохозяйственных растений. Животново­ ды и растениеводы усиленно практиковали скрещивание и отбор .

Большое значение имели работы Ч а р л з а Дарвина и выход в свет в 1859 г. его основного сочинения «Происхождение видов». Ч. Д арвин использовал в своих работах опыт, накоплен­ ный животноводами, и вскрыл значение искусственного отбора полезных изменений .

Теория Ч. Д арвина о происхождении видов путем естествен­ ного отбора в борьбе за жизнь имела огромное значение. Учение об эволюции органического мира Ч. Д арвина вызвало перево­ рот в биологической науке и открыло широчайшие возможности для ее развития. Ч. Д арвин предложил свою гипотезу, которая должна была объяснить сущность явления наследственности (гипотеза пангенезиса Ч. Дарвина) .

Р яд других ученых того времени пытались вскрыть закономер­ ности в наследовании (И а й т, Н о д е н, Г е р т н е р и др.) .

Однако основнне законы наследственности оставались невыяснен­ ными, хотя и были установлены некоторые интересные факты, например единообразно потомства в первом поколении, получен­ ном в некоторых скрещиваниях, и его разнообразие (расщепление) во втором поколении .



К 60—80-м годам X IX в. были сформулированы некоторые ос­ новные положения генетической пауки .

В 70—80-х годах широко развернулись цитологические рабо­ ты по изучению митотического деления клетки. Особое внимание было обращено на поведение хромосом. К этому времени относятся классические исследования О. Г с р т в и г а и С т р а с б у р г е j) а, установивших, что в оплодотворенном яйце объединены отцовские и материнские ядра, этим определяется наследовании отцовских и материнских свойств .

Работами Ф л е м и н г а, Страсбургера и других было установ­ лено, что хромосомы, вытянутые в тонкие нити, в процессе деления клетки продольно удваиваются, а затем укорачиваются и утол­ щаются. Одновременно были опубликованы интересные работы русских биологов Г ' о р я н и н о в а и Ч и с т я к о в а. Было установлено, что этот процесс, обеспечивающий постоянство числа хромосом в ряду клеточных поколений, наблюдается у животных и растении .

В итоге такие ученые, как Флеминг, Страсбургер, Вильгельм Ру, Ван Бенеден и другие, пришли к выводу, что именно хромосомы являются физическими носителями наследственности. Эти выводы были использованы А. В е й с м а н о м. Он разработал теорию наследственности. В этой теории им было допущено много ошибок, но заслугой Вейсмана является утверждение, что хромосомы со­ держат наследственные задатки .

Так, в 80-х годах прошлого столетия зародилась х р о м о с о мная теория н а с л е д с т в е н н о с т и. В дальнейшем развитии науки о наследственности хромосомная теория вошла в золотой фонд науки. Правильность ее подтвердило все развитие классической генетики, и наконец она была строго доказана раз­ витием м о л е к у л я р н о й г е и е т и к и в последние пят­ надцать лет .

Независимо от изучения цитологами митоза и роли хромосом почти одновременно появились первые строго научно поставлен­ ные экспериментальные работы но изучению з а к о н о в на­ следственности .

13 1865 г. была напечатана замечательная работа чешского уче­ ного Г р е г о р а М е н д е л я «Опыты над растительными гиб­ ридами». Тщательно поставленными опытами по скрещиванию рас­ тении Г. Мендель вскрыл основные законы наследования. Однако работа Г. Менделя, напечатанная в местном журнале (г. Брно), оставалась неизвестной до 1900 г., когда его оныты были повто­ рены тремя учеными: де Ф р и з о м, К о р р е н с о м и Ч е рм а к о м. С этого времени началось бурное развитие исследова­ ний гибридов. На многих животных и растениях была доказана правильность выводов Г. Менделя .

Особенно важ но, что результаты опытов по менделистическоmv ан али зу законов наследования были связаны с достижениями цитологии, с изучением хромосом. Вскрытые Г. Менделем законы наследования получили материальную основу. Многие исследова­ тели приш ли к выводу, что наследственные особенности организ­ мов зависят от определенных участков хромосом, называемых I е и а м и .





Т ак, два направления в развитии науки: ц и т о л о г и ч е сное и экспериментальное генетическое — слились в единое русло, и была залож ена основа единой науки г е н е г и к и. В дальнейшем в соответствующих главах мы подроб­ но остановимся на развитии этих исследовании .

В первом десятилетии X X в. делались попытки объяснить сущность явлении наследственности, создавались гипотезы. К ак по всегда бывает в молодой науке, многие из создаваемых гипотез не подтвердились дальнейш ими исследованиями — оказали сь лож ­ ными .

Т ак, например, некоторые ученые, правильно п ризн авая су ­ ществование материальны х наследственных факторов — генов, считали гены неизменяемыми, а появление наследственных р а з­ личий объясняли выпадением того или иного гена (гипотеза п ри ­ сутствия — отсутствия Б э т с о н а ). Д ругие ученые признавали изменяемость генов, но ошибочно полагали, что изменение генов происходит самопроизвольно, независимо от внешних воздействии (теория автогенеза) .

Эти п другие неправильны е, метафизические, представления 0 неизменяемости или самопроизвольном изменении генов были опровергнуты исследованиями в генетической науке .

Д альнейш ий замечательный период в развитии генетики охва­ тывает время с начала 20-х годов почти до 1950 г. В это время ис­ следования в области генетики особенно большое значение имели работы ам ериканского ученого 'Г о м а с а Г е н т а Морган а и его учеников .

В рассматриваемый период было проведено большое количество исследований и многими крупными советскими генетиками:

II. И. В а в и л о в ы м, Ю. А. Ф и л и и ч е н к о. Г. Д. К а р п еч с н к о, II. К. К о л ь ц о в ы м, Б. JI. Л е т а у р о и ы м, А. С. С е р е б р о в с к и м, С. С Ч е т в е р и к о в ы м,Н. 11. Д у- б и н и н ы м и др. Их работы имели большое значение для развптия генетики .

В период от работ Г. Менделя до 50-х годов X X столетия генеш к а стала точной экспериментальной наукой — «классической | енетнкой» .

Развитие молекулярной генетики. З а последние 15 лег были сделаны в области науки о наследственности такие значительные откры тия, которые позволяю т говорить о новой эпохе в истории 1светики. Появление этих открытий было обусловлено прежде всого том, что произошло объединение ряда наук в разработке проб­ лемы наследственности. Генетика кооперировалась с биохимией, физикой, математикой и кибернетикой. Существенно изменились методы исследования. Помимо светового микроскопа, для изучения клетки стали применять электронный микроскоп. Все чаще исполь­ зуется применение лучистой энергии и химических соединений как мутагенных факторов и т. д .

Если раньше ученые-биологи не могли проникнуть в своих исследованиях дальше того, что можно было увидеть при помощи светового микроскопа и применявшихся методов цитологических исследований, то новые методы позволили заглянуть в м ол еку л яр­ ное строение клетки и се органоидов. Генетика поднялась па мо­ лекулярны й уровень .

В соответствующих главах мы разберем основные достижения молекулярной генетики. Здесь мы лишь отметим важнейшие откры­ тия. Было доказано, что хромосомы состоят пз нуклеопротеидов, представляющих собой сочетание белковых молекул с молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты (Д Н К ). Вскрыта роль нуклеино­ вых кислот в жизненных процессах и показано, что носителем наследственной информации у вирусов, бактерий, растений и животных является дезоксирибонуклеиновая кислота (Д111\), со­ держ ащ аяся в хромосомах. Таким образом была установлена молекулярная основа хромосомной теории. Широко развернулось изучение мутационного процесса. Генетика вплотную подошла к изучению природы гена ка к определенного участка молеку­ лы Д Н К .

КЛЕТКА - ОСНОВА Ж ИЗНИ

С овременны е данны е о строении кл етки

Ж и зн ь — высшая форма движ ения материи. Она тесно с в я ­ зана с физическими и химическими особенностями организмов .

В биологии уж е давно установилось представление о том, что в основе явлений ж изни леж ат йроцессы, происходящ ие в клетке .

До недавнего времени достаточно точных данных о структу­ ра клетки не было. Основным орудием исследования долгое время оставался световой.микроскоп, который увеличивает до двух с половиной — трех тысяч раз и дает возмож ность наблю дать части­ цы размером не менее микрона (1 микрон — 0,001 доля.миллимет­ ра). В последнее время на помощь цитологам, изучающим кл етку, пришел электронный микроскоп, при помощи которого достигает­ ся увеличение в сотни тысяч раз и больше. Теперь уж е исследова­ тель может наблю дать частицы размером меньше микрона. А в качестве единицы измерения употребляется ангстрем, составляю ­ щий 0,0000001 миллиметра (одну десятнмиллионную часть мил­ лиметра). Понятно, что электронный микроскоп позволил уви­ деть в клетке такие структуры, о наличии которых раньш е и не знали. Кроме того, в настоящ ее время использую тся разн ообраз­ ные методы изучения клетки и ее частей, а именно ультраф и оле­ товая микроскопия, применение изотопов (меченых атомов), рентгеиоструктурны й ан али з и др .

Д авно известно, что полноценная ж и вая кл етк а состоит из 1{ито2 ш 1ы и ядра, но многие важны е особенности их строения ш не были известны .

В последние годы установлено, что цитоплазма клетки имеет очень сложное строение. Она не представляет собой лиш ь п олу­ жидкую массу, состоящую из белков и других веществ, с теми или иными вклю чениями .

Что ж е нового мы теперь знаем о строении цитоплазмы? О ка­ залось, что цитоплазма слож но дифференцирована. В ней имеются структуры, обеспечивающие всю слож ность процессов, происходя­ щих в клетке. В цитоплазме имеется слож н ая с и с т е м а м е м б р а н Цитоплазпа

–  –  –

(см. рис. 1), образующих сеть канальцев, которые связывают ци­ топлазму клетки с поверхностью ядра. !)та сеть канальцев получила название эндоплпзматическои сети. Совершенно очевидно, что она обеспечивает теснейшую связь между ядром и цитоплазмой .

Особое значение имеет наличие в пптоплазмо митохондр и й. Они имеют очень сложное строение и содержат ряд ферментов, имею­ щих огромное значение в энергетических процессах клетки .

И цитоплазме, наконец, открыто большое количество мель­ чайших частиц, расположенных главным образом на мембранах ондоилазматической сети. Бы ло обнаружено, что эти частицы со­ стоят из молекул белка и рибонуклеиновой кислоты. Они п олу­ чили название рибосом .

Мы рассказали о различных органоидах в цитоплазме. Наличие их указывает на очень сложную ее организацию. Но конечно, этим не исчерпывается проблема строения цитоплазмы. В ней всегда имеется сложный комплекс различных химических веществ, нахо­ дящихся в постоянном взаимодействии в процессе обмена веществ, по прежде всего аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты, притом для цитоплазмы характерно наличие различных рибонуi; iciiHom.ix лис лот, сосредоточенны х и основном в рибосомах .

Строение ядра. Но старым представлениям, ядро состоит из ящерной оболочки, ядерного сока, одного или нескольких ядры ш ек и якобы периодически появляю щ ихся в ядре во время деления клетки хромосом. О казалось, что в ути представления должны быть внесены существенные изменения. Ядерная оболочка на самом деле двойная и пронизана тончайшими порами, при помощи кото­ рых содержимое ядра сообщается с ;ндоп ш зматпческой сетью цитоплазмы. Подчеркиваем эту постоянную взаимосвязь ядра и цитоплазмы. Хромосомы не исчезают между делениями в покоящ ем­ ся ядре. Они находится там всегда, но it ряде случаев их не удает­ ся выявить с помощью светового микроскопа .

У становлено, что хромосомы имеют сложное строение и состоят из иунлеопрошеидив, представляю щ их собой сочетание белковых мо­ лекул с молекулами Д Н К. О казалось, что дезоксирибонуклеино­ вая кислота обнаруж ивается всегда в составе хромосом ядра, тог­ да как рибонуклеиновые кислоты имеются как.в_ядра,_так и в цитоплазме. Установлено, что именно молекулы Д Н К через синтез специфической рибонуклеиновой кислоты (Р Н К ), под контролем которой происходит синтез белков, несут в себе наследственную информацию, определяя тем самым наследственные качества орга­ низма. Кроме того, в ядре, в частности в ядры ш ках, содержатся и синтезирую тся PI IK. Таким образом, ядро и цитоплазма взаимно связаны. М ежду ними происходит сложный процесс обмена р аз­ личными химическими соединениями. Однако роль цитоплазмы и ядра различна. Ядро регулирует важнейшие реакции, проис­ ходящие в цитоплазме. Хромосомы ядра несут в себе наследствен­ ную информацию. Х арактерно, что если от клетки отделить часть цитоплазмы, то при благоприятных условиях цитоплазма регенери­ рует и восстанавливается ее утраченная часть. Если же убить или удалить из клетки ядро, то клетка погибает. Особенности строения цитоплазмы и ядра указываю т на то, что в клетке происходят важ­ нейшие процессы, п прежде всего процессы обмена веществ, в тесном взаимодействии цитоплазмы и ядра .

Р а з м н о ж е н и е к л е т о к — м и т о з. Важнейш ей особенностью клеток явл яется их с и о с о б н о е т ь к р а з м и о ж е н и ю. В сякая кл етк а происходит только, из клетки. Т ак формулировали это по­ ложение еще в X IX в. ученые того времени. Оно остается вер­ ным, несмотря на неоднократные попытки доказать недоказуе­ мое, что будто клетки могут возникать из «живого вещества, не имеющего клеточного строения» (Лепепш пская и др.). Вся не­ лепость такого взгл яд а на кл етку нам ясна из того немногого, ЧТО выше сказан о о строении клетки .

К ак же размнож аю тся клетки? Как правило, клетки делятся, причем делению предшествуют и сопровождают его сложнейшие изменения, происходящие в ядре клетки. Такое деление принято называть митотическим или, короче, митозом .

Д л я клеток в организме характерны два состояния: первое — состояние «покоя» ядра, когда клетка не делится (этот период на­ зывают интеркинезом или интерфазой), и второе, когда в ядре происходят сложные изменения (период митотического деления клетки). Период пнтерфазы в несколько раз длиннее, чем период митотического деления клетки. Этот период отнюдь не является периодом покоя ядра, так как в это время в клетке осуществля­ ются, как теперь установлено, важнейшие жизненные процессы, а именно: хромосомы осуществляют свою наследственную ф унк­ цию, передают наследственную информацию в цитоплазму и конт­ ролируют синтез специфических белков. В период пнтерфазы происходит процесс ауторепродукции хромосом: синтез Д Н К и белков. В результате к а ж д ая хромосома удваивается по своей длине, образуя две хроматиды .

Процесс митотического деления состоит из четырех основных стадий, хорошо изученных еще в 80-х годах прошлого века .

Стадия профазы (см. рис. 2). Она заключается в том, что хро­ мосомы становятся более заметными в результате их спирализации. В этот период они лучше окрашиваются ядерными к р а с к а ­ ми. Уже в начале профазы заметно, что хромосомы двойные .

Затем хромосомы постепенно еще сильнее спирализуются, у кор а­ чиваются и становятся толще. В определенных местах каждой из хромосом наблюдается перетяж ка, на которой расположено не­ большое тельце (также двойное), которое в дальнейшем поведе­ нии хромосом имеет очень большое значение. Эти тельца назы ­ вают центромерами. К ним в дальнейшем прикрепляю тся нити веретена, направляющие расхождение хромосом при делении клетки. Н а этом заканчивается стадия профазы. Д алее оболочка яд ра растворяется, хромосомы устанавливаются в одной плоско­ сти на экваторе клетки. В цитоплазме образуются нити веретена деления, к которым при помощи центромер прикрепляю тся хро­ мосомы. Н ачалась стадия метафазы. Нити веретена сходятся у полюсов клетки т? определенных точках. В животных клетках там располагаются особые тельца — центросомы. В клетках выс­ ших растений центросомы не видны .

В этой стадии хромосомы имеют вид наиболее плотных обра­ зований. Это связано с тем, что нуклеопротеиды (молекулы белка и Д Н К ), составляющие хромосомы, располагаются более плот­ но. Хромосомы плотно спирализованы .

–  –  –

дующих делениях. Таким образом, двойное число хромосом со­ храняется во всех клетках развивающегося организма, в том чис­ ле и в тех первичных половых клетках, из которых затем разовьют­ ся зрелые половые клетки, имеющие одинарное (гаплоидное) чис­ ло хромосом. Происходит ото уменьшение в числе хромосом, или редукция, в процессе созревания половых клеток — при овоге­ незе (так называют процесс созревания яйцеклеток) и при спер­ матогенезе (процессе созревания сперматозоидов) .

Понимание процессов овогенеза и сперматогенеза имеет очень большое значение для генетики, и потому мы остановимся на нем несколько подробнее .

Половые клетки — гаметы — развиваются в половой железе (мужской или женской) из заключающихся в железе особых не­ дифференцированных первичных половых элементов .

- я

–  –  –

сивно размножаются. Н а препаратах можно видеть попадаю­ щиеся различные стадии их деления, причем на метафазах ми­ тоза можно установить, что все эти клетки имеют еще диплоид­ ное число хромосом и деление их является типичным митозом, которому предшествует удвоение хромосом в ннтерфазе. К лет­ ки эти называют гопиями, причем в мужской половой железе это будут сперматогопаи. Этот период называют периодом размножения .

После многократного деления спсрматогоний наступает период по­ коя, и в соответствующей части половой железы мы уже не наблюдаем деления клеток, но здесь сперматогонни увели­ чиваются в размерах, наблюдается рост клеток (откуда и название этого периода в процессе созревания — период роста) .

Выросшие клетки называют уж е сперматоцитами первого порядка или первичны­ ми сперматоцитами. Первичные спермабе)?8{ тоциты имеют также еще диплоидное чис­ ло хромосом. Затем для первичных сперматоцитов наступает важнейший период — период созревания. Теперь первичный Рис. 8.

Хромосомы о д ­ сперматоцит делится на две клетки — на ного из видов тимофе­ два вторичных сперматоцита, причем евки (Phleum nodosum):

последние имеют уж е вдвое меньшее чис­ 1 — четы рн адцать хром осом в е ге т а ти в н о й к л е т к и ;

ло хромосом (гаплоидное). Вторичные сие- 2 — сем ь п а р хром осом рматоциты делятся еще раз, образуя к а ж ­ в м ей озс .

дый по две сперматиды, имеющие также гаплоидное число хромосом. Деление первичного сперматоцита на два вторичных и следующее за ним деление этих последних на сперматиды происходят быстро одно за другим без перехода яд ра в стадию покоя. Таким образом, каж ды й первичный сперматоцит дает четыре сперматиды, имеющие гаплоидное число хромосом. Из сперматнд развиваются без дальнейшего деления сперматозоиды. Схема на рисунке 9 дает представление об общем ходе этого процесса .

Процесс созревания женских половых клеток — овогенез — протекает сходно (см. рис. 9) .

Рассмотрим отличие процесса созревания женских половых клеток. В период роста рост овогоний происходит интенсивнее, что приводит к значительно более крупным размерам первичных овоцитов по сравнению с первичными сперматоцитами.

Первич­ ный овоцит делится на две неодинаковые по размерам клетки:

одну большую (вторичный овоцит) — будущую яйцевую клетку— н меньшую — первое редукционное тельце. При этом делении такж е происходит редукция числа хромосом, и вторичный ово­ цит имеет уже гаплоидный набор. Затем следует второе деление, происходящее опять неравномерно, па две разные по величине клетки: яйцевую и второе редукционное тельце. Первое нап­ равительное тельце также делится на две клетки. В результате при сперматогенезе один первичный сперматоцит дает 4 одина­ ковые сперматиды, которые дальше образуют \ сперматозоида, тогда ка к при овогенезе из одного первичного овоцита в конечном счете образуется яйцо и три редукционных тельца, затем по­ гибающих. Таким образом, несмотря на существенные различия, наблюдается очень большое сходство в процессах снермо- и овоРис. 9. Образование половых клеток у человека:

а — п ер в и ч н ы й сп ер м ато ц и т; а, — п ер в и ч н ы й о о ц и т; б, б, — к о н ъ ю га ц и я го м о л о ги ч н ы х х р о м о со м, м е т а ф а з а п ер в о го дел ен и и м ей о за; п т,, п т г— п ер в и ч н ы е и в т о р и ч н ы е п о л я р н ы е т е л а ;

в — в т о р и ч н ы й с п е р м а то ц и т; в,— вт о р и ч н ы й о о ц и т; г, г, — м етаф а за вто р о го д е л е н и я м ейоза;Э — с п е р м а т и д ы ; е — зр е л ы е с п е р ­ м и н; е, — з р е л а я я й ц е к л е т к а .

–  –  –

у растений, так же как и у животных, имеют половинное (гап­ лоидное) число хромосом (см. рис. 10) .

Теперь рассмотрим, что происходит с хромосомами п про­ цессе созревания гамет, ведущем к уменьшению их числа. Эти подробности имеют очень большое значение, так как они дают очень много для понимания законов наследственности. Рассмот­ рим это на примере мпкроспорогенеза у растений, во время ко­ торого наблюдается особый тип клеточного деления, называе­ мый мейозом .

Любопытные изменения происходят в ядре еще в период роста материнской клетки пыльцы (см. рис. 11) .

Еще в начале периода роста сперматоцита хромосомы имеют вид тончайших нитей. Число этих нитевидных хромосом соответ­ ствует характерному для данного вида диплоидному числу (ста­ дия лептонемы). Эти нити в следующей стадии сближ аю тся по­ парно (стадия зигонемы) .

Сближение нитей все увеличивается вплоть до того, что полу­ чается впечатление, будто клетка содержит вдвое меньшее число хромосом. В данном случае перед нами процесс конъюгации хромосом, причем хорошо известно, что конъюгируют в это вре­ мя друг с другом гомологичные, одинаковые по размеру и форме, аарные хромосомы, одпа из которых по происхождению мате­ ринская, д р угая отцовская .



Далее конъюгирующие хромосомы утолщаются (стадия пахипемы). Н а этой стадии уже ясно видно, что к а ж д ая из копъюгировавших хромосом двойная. Конъюгировавшие хромосомы уже не так тесно сближены по всей длине и перекручиваются одна вокруг другой .

В следующей стадии хромосомы сильно утолщаются и у к о р а­ чиваются (диакинез); на этой стадии часто еще яснее заметно, что к аж д ая из конъюгировавших хромосом (отцовская и мате­ ринская) двойпая. Таким образом, вместо двоек (откуда н азв а­ ние «диакинез») мы видим четверки. К этому времени материн­ ская клетка пыльцы переходит к стадии деления: оболочка ядра растворяется, образуется веретено деления, хромосо­ мы располагаются экваториально по отношению к веретену .

Затем происходит расхождение конъюгировавших — отцовских н материнских — хромосом к полюсам веретена. Таким образом, каж д ая клетка получает из каждой пары гомологичных хромо­ сом только одну — либо отцовскую, либо материнскую хро­ мосому .

Правда, при этом заметно, что к а ж д а я хромосома двойная .

После первого деления не наблюдается длительной стадии покоя ядра, а сейчас же начинается второе деление, причем деление носит характер типичного митоза. Во время этого деления осу­ ществляется расхождение тех двух нитей, которые были заметны в каждой из конъюгировавших хромосом еще в профазе мейоза .

] [олучается четыре клетки, из которых к а ж д а я имеет гаплоид­ ное число хромосом .

Таким образом, м е й о з о т л и ч а е т с я о т о б ы м н о ­ г о м и т о з а т е м, ч т о о д н о з а д р у г и м п р о и с х од я т два деления к л е т о ч н о г о ядра, а хромо­ с о м ы п р и э т о м у д в а и в а, то т с я т о л ь к о один р а з в п р о ф а з е п е р в о г о д е л е и и я. Важно такж е отметить, что если в результате митоза все клетки получают оди­ наковый набор хромосом, то после мейоза набор хромосом в гаме­ тах разный, поскольку конъюгировавшие хромосомы (их назы ­ вают бивалентами) располагаются на экваторе первого мейотического деления случайно: к одному полюсу могут отойти самые различные комбинации отцовских и материнских хромосом. К этому мы вернемся ниже при рассмотрении законов наследствен­ ности .

ЗАКО НЫ ГРЕГО РА МЕНДЕЛЯ

Н ачалом точного научного ан ал и за явлений наследственности следует считать 1865 г. — год опубликования работ Г р е г о р а М е н д е л я. Его открытие знаменует собой новую эру в разви ­ тии н ауки о наследственности .

Грегор М ендель (1822—1884) был монахом, а затем настояте­ лем монастыря в городе Брн о, в Ч ехословакии. Одновременно он был учителем естествознания в местной реальной ш коле. Г. Мен­ дель в течение ряда лет в монастырском саду проводил скрещ и­ вания различны х рас гороха. Эта работа и привела его к откры ­ тию основных законов наследственности .

Работа Г. М енделя «Опыты над растительными гибридами» бы­ ла напечатана в 1866 г. в «Записках общества естествоиспытате­ лей в Брюнне» (Брно), но осталась малоизвестной. Т олько в 1900 г. три крупны х ученых — К о р р е н с, де Ф р и з и Ч е р м а к в своих исследованиях приш ли к аналогичны м вы­ водам и, ознакомивш ись с работой М енделя, вы яснили, что вскры ­ тые ими закономерности наследования были уж е открыты Мен­ делем 35 лет назад. С этого времени начинается усиленная рабо­ та многих ученых в области наследственности. Закон ы Г. Мен­ деля находят свое подтверждение на самых разнообразны х объек­ тах, к ак ж ивотны х, так и растительны х, а «менделизм» становит­ ся основой н ауки о наследственности .

Ясные результаты менделевских исследований, проведенных на горохе, определялись отчасти удачным выбором материала, а главное тем, что в своих скрещ иваниях Г. М ендель вел наблю ­ дения над наследованием отдельных п ризнаков, а не всей их со­ вокупности. Основные его опыты заклю чаю тся в с к р е щ и в а ­ н и и рас гороха, р а з л и ч а ю щ и х с я т о л ь к о од­ ним к а к и м- л и б о п р и з н а к о м. Т ак, он скрещ ивал высокие горохи с низкими, горох, имеющий желтые семядоли, с горохом с зелеными семенами, горох с гладкими округлы ми се­ менами с горохом, имеющим сморщенные семена, и т. д. П ри уче­ те результатов скрещ ивания он обращ ал внимание на количест­ во потомков, несущих отдельные признаки скрещ иваемых растений. Это главным образом и привело Г. М енделя к точной формулировке зако­ нов наследования .

М о н о ги б р и д н о е скрещ и­ Т ак называю т опыт, вание .

когда скрещиваемые фор­ мы различаю тся одним признаком .

П ереводя на язы к сов­ ременной генетики, в иде­ альном случае это долж ны быть две расы, разли чи я между которыми обуслов­ лены разницей в структу­ ре лиш ь одного определен­ ного участка хромосо­ мы— гена. Все остальные гены долж ны быть одина­ ковыми у обеих скрещ и­ ваемых рас. П олученные от такого скрещ ивания гиб­ риды будут моногибридами. Г. Мендель .

Т ак, если Г. М ендель скре­ щ ивал горох с желтыми семядолями с горохом, имеющим зеленые се­ мядоли, то это значит, что по всем другим признакам скрещ ивае­ мые растения были одинаковы. Отличие ж е в цвете семядолей (желтые или зеленые) зависит от различий в строении одного со­ ответствующего гена, определяющего цвет семян гороха. Г. Мен­ дель провел скрещ ивания Горохов, различаю щ ихся цветом семя­ долей (желтые, зеленые), формой семян (гладкие, морщинистые), высотой стебля (высокие, низкие), окраской цветков и т. д. Во всех случаях результаты были получены аналогичные, поэтому доста­ точно рассмотреть лиш ь какой-либо один из опытов .

Доминирование и единообразие потомства в первом поколе­ нии. Б ы л скрещ ен высокостебельный горох с низкостебельным горохом. Н адо п олагать, что высокий стебель, поскольку этот признак наследственный, определяется наличием у растения наследственного ф актора — гена, который мы обозначим буквой А, низкий же стебель зависит от того, что вместо этого гена А имеется в такой же точке хромосомы другой ген а (возникш ий в результате изменения — мутирования гена А и составляю щ ий с геном А так назы ваемую пару аллелей (аллелям и назы ваю т гены, расположенные в идентичных точках гомологичных хромосом) .

П оскольку и высокий и н изкий стебель — наследственные при­ зн аки сорта, надо п олагать, что гибриды первого поколения, полученные от скрещ ивания высоких и низких Горохов, полу­ чают от одного из родителей ген А, а от другого ген а. Тогда их можно было бы обозначить Аа. К аковы ж е долж ны быть эти гиб­ риды по длине стебля? Обычное представление таково, что гиб­ риды долж ны иметь промежуточный характер. Однако в опытах Г. Менделя результат получился иной, а именно: все особи пер­ вого поколения отличались высоким стеблем, т. е. были похожи на одну из родительских форм (см. рис. 12). Причем это наблю­ далось независимо от н аправления скрещ ивания (г. е. независимо от т о г о, отличалось ли высоким ростом материнское или о т ц о в ­ ское растение). Тридцать семь скрещ иваний высоких и низких Г о р о х о в, проведенных Менделем, дали один и тот ж е результат .

То же наблю далось и в других скрещ иваниях, например если Рис. 12. Схема скрещивания высокого и низкого гороха .

скрещ ивались горохи с. желтыми и зелеными семядолями. П ри том оказалось, что все семена первого поколения имели желтый цвет семядолей. Н адо иметь в виду, что если изучаю тся признаки семян, т. е. о краска или форма, то в данном случае первым поко­ лением от скрещ ивания являю тся семена, развивш иеся па мате­ ринском растении .

П ризнаки, которые проявляю тся в первом поколении, Г. Мен­ дель н азвал доминантными, а п ри зн аки, не п р о я в л я ющиеся' в первом" поколении, — рецессивными или"уступающими. Т а к т Г о б разом, высокий стебель — п ризн ак доминантный, а' низкий сте­ бель — п ризн ак рецессивный; ж елты й цвет доминирует над зе­ леным, — значит, зеленый цвет рецессивпый .

В этом и состоит менделевское правило доминирования, к которому мы приходим на основании изучения первого поколе­ ния при моногибрпдном скрещ ивании .

Различные степени доминирования. В настоящее время, после переоткрьттпя законов Г. М енделя (1900 г.), мы расп ол а­ гаем чрезвычайно обильным материалом относительно доминант­ ных и рецессивных особенностей у самых разнообразны х ж ивот­ ных и растительны х организмов .

Во многих случ аях мы наб­ людаем картин у, аналогичную тому, что имеет место у горо­ ха. Т ак, наприм ер, при скрещ и­ вании рогатого и комолого ско­ та в первом поколении наблю ­ дается однообразное потомст­ во — комолое (доминантный п ризн ак), или при скрещ ивании черных и белых овец обнару­ ж ивается доминирование белой окраски и т. д .

Однако оказы вается, что не всегда наблю дается так ая картина полного дом инирования, к ак это имеет место у гороха .

Т а к, наприм ер, при скрещ ива­ нии горностаевого кроли ка с белым в первом поколении по­ лучаю тся кролики горностае­ вые: у них есть окраш енные отметины на уш ах, морде, л а ­ пах и хвосте, но эти отметины не такие черные, как у настоя­ Рис. 13. Скрещивание остистой щего горностаевого кроли ка. п безостой пшеницы .

П ризнаки горностаевой окрас­ Г и б р и д F, — п о ср ед и н е. За м е тн о н еп о л ­ ки у гибридов п роявляю тся ное д о м и н и р о в ан и е безостостп .

в несколько ослабленной фор­ ме, но все ж е здесь имеет мес­ то доминирование горностаевой окраски, хотя и не полное. Ч а с ­ \ I белая то такое ослабление проявления красная доминантного п ри зн ак а у гиб­ рида по сравнению с чисто до­ минантной формой очень н езн а­, чительно, но все же его можно обнаруж и ть .

П ри скрещ ивании остистой пшеницы с безостой в первом поколении получаю тся расте­ ния с безостым колосом (см .

рис. 13). П ри ближ айш ем рас-, смотрении оказы вается, что эти гибриды все ж е имеют н а верх­ них колосх*ах небольш ие ости .

Д аж е п ри скрещ ивании Г о ­ рохов во многих сл уч аях деталь­ ное исследование п озволяет у с­ Рис. 14. Схема скрещивания ночной тановить различие между чис­ красавицы М ir abilis ja la p a с красны­ тыми доминантными формами и ми и белыми цветками .

гибридами первого п окол ен и я .

Т ак, Д а р б и т е р о м было установлено, что у гибридных форм, полученных от скре­ щ ивания гороха, имеющего гладкие семена, с горохом, име­ ющим морщинистые семена, хотя и наблю дается по внешнему виду семян полное доминирование, но гибридные семена отли­ чаю тся от чистых доминантных гладки х семян иной формой к р а х ­ мальных зерен .

Т аким образом, можно ск азать, что доминирование часто не бывает полным и гибридные особи во многих сл у ч аях отличаются некоторым (большим или меньшим) ослаблением данного при­ зн ака .

Особенный интерес представляю т такие случаи, когда особи первого поколения имеют явно промеж уточный характер. К орренс скрещ ивал известное садовое растение «ночная красавица» .

Д л я скрещ ивания он брал сорта с красными н белыми цветками (см. рис. 14) .

В первом поколении были получены растения, имеющие ис­ клю чительно розовые цветки, т. е. имеющие явно промежуточный характер. Подобное явление — промежуточный характер гиб­ ридов первого поколения — нередкое .

Интересно в этом отношении скрещ ивание овец, лиш енных внешнего у х а, с нормальными. В первом поколении наблюдает­ ся неполное доминирование — все овцы короткоухие. Во всех произведенных опытах все особи первого поколения по наследст­ венным признакам были однородными .

В дополнение ко всему сказанном у о явлении доминирования необходимо отметить, что иногда на характер доминирования оказываю т влияние внешние условия. Т а к, наприм ер, известна мутация дрозофилы — ненормально измененное брюшко. Т а­ кие мутанты отличаю тся неправильны м характером колец на брюшке. П ри обычных, нормальны х условиях содерж ания мух эта мутация при скрещ ивании с мухой, имеющей нормальное строение брю ш ка, оказы вается доминантной, т. е. все мухи пер­ вого поколения гибридов имеют ненормальное брюшко. Но если первое поколение разви вается в измененных усл ови ях, а именно при недостатке влаж ности и пищи, то у всех потомков первого поколения строение брю ш ка оказы вается нормальным. Таким образом, при одних услови ях доминирующим явл яется один п ризн ак, при иных услови ях — другой .

Закон расщ епления во втором поколении. Н аиболее сущ ествен­ ные выводы были сделаны Г. Менделем на основании изучения второго поколения. Оно получается путем скрещ ивания между собой особей первого поколения или у многих растений путем самоопыления .

Вернемся к основному прим еру, разобранному нами выше, — опыту Г. М енделя со скрещ иванием высоких и низких сортов гороха. О казы вается, что во втором поколении, полученном от самоопыления растений первого п околения, не наблю дается того единообразия всех особей, какое имеется в первом поколении (см. рис. 12). Т ак, Г. Менделем было получено во втором поколе­ нии от скрещ ивания высоких и н и зки х Горохов 1064 растения, из которы х 787 были высокие, а 277 низкие. Т аким образом, вы­ соких растений было примерно втрое больше, чем низких (отно­ ш ение 2,84 : 1) .

Т ако й же результат был получен по другим призн акам, ис­ следованным Г. Менделем. Н априм ер, во втором поколении от скрещивания Горохов с желтыми и зелеными семядолями было получено 8023 семени, из них 6022 ж елты х и 2001 зеленое (отно­ шение 3,01 : 1). Зн ачит, во втором поколении наблю дается рас­ щепление на две группы форм, причем одни имеют доминантный характер, другие рецессивный. Отношение количества доминант­ ных и рецессивных форм всегда близко к отношению 3 : 1 .

Аналогичные результаты были получены на самом разнооб­ разном материале. Т ак, в приведенном выше примере скрещ ива­ ния комолых и рогаты х особей скота получается расщ епление в отношении 3 комолых и 1 рогатая .

В этом и заклю чается важнейш ий закон Г. М енделя — закон расщепления. Г и б р и д ы п е р в о г о п о к о л е н и я в с е ­ гда дают расщепление в потомстве; при этом снова п о я в л я ю т с я особи с рецессивными признаками, составляющие пример­ но о д н у ч е т в е р т ь от в с е г о ч и с л а потомков .

От растений второго поколения путем их самоопыления Г. Мен­ дель получил третье поколение. П ри этом результаты получи­ лись весьма любопытные .

Растения второго поколения с рецессивными признакам и (низкие, с зелеными семядолями) дали в третьем поколении та­ кое же рецессивное потомство, т. е. рецессивные формы второго поколения оказали сь ч и с т ы м и, константными, к а к их назвал Г. Мендель .

От растений второго поколения с доминантными признакам и (3/4 от общего числа) в следующем, третьем поколении был п олу­ чен иной р езультат, а именно V3 потомства оказал ась полностью с доминантными признакам и, тогда к а к у 2/3 потомства (% доми­ нантны х форм, или V2 всего второго поколения) наблю далось расщ епление в том же отношении: на 3 доминантных растения 1 рецессивное. Т ак, наприм ер, пз 519 семян второго поколения с желтыми семядолями выросло 16G растений с исклю чительно желтыми семядолями, 353 растения д али ж елты е и зеленые се­ мена в отношении 3 : 1. Т ак и м образом, доминантные особи вто­ рого поколения о казали сь одинаковы ми только внешне, или, к а к мы теперь говорим, по фенотипу. Генотипически же они р аз­ личны: одни из них константные доминантные формы (V3), дру­ гие же (2/ 3) такие же гибриды, к а к и особи первого поколения, и в их потомстве в следующем поколении снова наблю дается рас­ щепление .

Расщ епление в случае неполного доминирования. Возникает вопрос: какое же будет расщ епление во втором поколении в тех случ аях, когда особи первого поколения имеют промежуточный характер п р и зн ак а, к а к, наприм ер, в описанном выше случае скрещ ивания ночной красавицы, имеющей красны е и белые цвет­ ки? Мы знаем, что в нервом поколении К орренсом были получены растения с розовыми цветкам и. Во втором поколении в потомстве этих растений с розовыми цветками такж е наблю дается расщ епле­ ние, но отношение к ак будто п олучается иное, а именно: V4 всех растений имеет красны е цветки, 2/4 — розовые и V4 — белые (см. рис. 14) .

То же получается во втором поколении от скрещ ивания нор­ мальны х длинноухих и безухих овец, т. е. во втором поколении мы будем иметь отношение: 1 д ли н н оухая, 2 короткоухие н 1 без­ у х ая .

С оверш енно очевидно, что этот р е зу л ь т а т не п ротиворечи т т о м у, ч т о б ы л о п о л у ч е н о Г. М е н д е л е м п р и с к р е щ и в а н и и Г о р о х о в .

Р а зл и ч и е состоит л и ш ь в том, что в слу чае п ром еж у то ч н о го х а ­ р ак тер а р азв и ти я п р и зн ак а у гибридов первого п околен и я при д ал ь н е й ш е м р асщ еп л ен и и к о н стан тн ы е ф ормы отл и ч аю тся не т о л ь к о г е н о т и п и ч е с к и, н о и ф е н о т и п и ч е с к и, т. е, в о в т о р о м н о к о лении получается, таким образом, 3 генотипически различны е группы особей: красные, розовые и белые. И действительно, ан а­ л из этих форм показы вает, что от растений второго поколения с белыми цветками в третьем поколении (при самоопылении) по­ лучаю тся растения лиш ь с белыми цветками; точно так же расте­ ния с красными цветками оказы ваю тся константными и даю т при самоопылении в третьем поколении лиш ь себе подобные красно­ цветковые формы. В потомстве же растения с розовыми цветками (*/г всех особей второго поколения) дадут снова в третьем поко­ лении расщ епление в том же соотношении: 1 с красными цветками, 2 с розовыми, 1 с белыми цветками .

В настоящ ее время известно много подобных случаев, когда н ельзя вовсе говорить о доминировании какого-либо п ризн ака, вследствие того что потомство имеет промежуточный характер .

Н априм ер, промежуточный характер окраски цветка бывает у гибридов между красной и белой расой многих растений, в част­ ности львиного зева, табака и др. Особенно интересно это явл е­ ние у ан далузских ку р. П ри скрещ ивании черных ан далузских к у р с забры зганны ми белыми в первом поколении получаю т­ ся своеобразные голубые куры, окраска которых представляет собой не что иное, к а к сильно ослабленную темную пигмен­ тацию .

Во втором поколении от скрещ ивания этих голубых кур на­ блю дается расщ епление на черных, голубых и забры зганны х бе­ лых в отношении 1 i 2 : 1, из которы х два крайние типа (черные и белые) не расщ епляю тся в дальнейш их поколениях, а средний (голубые) снова дает расщ епление в этом же отношении (см .

рис. 15) .

Подводя итог вышеприведенным примерам, мы долж ны еще раз подчеркнуть, что отличие между менделевскими случаям и полного доминирования, обнаруженными у гороха, и проме­ ж уточной наследственностью, наблюдаемой у андалузских кур и ночной красавицы, сводится к тому, что в первом случае гибри­ Рис. 15. Схема скрещивания черной и забрызганно-иелоп особей андалузских кур .

В f, — го луб ы е, в f j — расщ епление — 1 : 2 i 1 .

ды по внешнему виду (фенотипически) неотличимы от чистых доминантных особей, тогда к ак во втором случае гибриды, я в ­ л яя сь промежуточными, отличаю тся от чистых форм по фенотипу .

Самая важ н ая закономерность — это расщ епление, наблю дае­ мое во втором поколении, в результате которого, помимо гибрид­ ных форм, появляю тся чистые исходные формы, к а к доминантные, так и рецессивные. Ещ е интереснее то, что это расщ епление про­ исходит в определенном числовом соотношении, т. е. мы заранее можем ск азать, како й процент особей второго поколения будет доминантными, рецессивными и гибридными .

Со времени откры тия и переоткры тия (1865, 1900) законов М енделя накопился колоссальны й материал по изучению х а р а к ­ тера наследования различны х признаков у растений и животных, и мы можем утверж дать, что закон расщ епления М енделя имеет всеобщее значение .

П ри зн аки, которыми различаю тся породы и сорта наш их сель­ скохозяйственных животных и растений, наследую тся согласно законам М енделя, или, к ак часто говорят, менделируют .

О бъяснение закона расщ епления. Теория чистоты гамет .

Замечательны й результат моногибридного скрещ ивания во вто­ ром поколении, конечно, ставит вопрос о том, каковы причины этого явлен и я. Почему во втором поколении наблю дается законо­ мерное появление признаков родительских форм (расщепление) в определенном соотношении? Ещ е Г. Менделем было предложено объяснение этому явлению, впоследствии получивш ему название гипотезы чистоты гамет .

П ри половом разм'ножении в ся к ая особь разви вается из ж ен­ ской половой клетки после оплодотворения — слияния с муж ской половой клеткой. Т аким образом, в результате сли ян и я двух зрелы х половых клеток — гамет — образуется одна — зигота .

Развивш ийся организм животного или растения в свою очередь образует половые клетки — гаметы .

В том случае, если мы разводим какой-либо чистый сорт, например выращ иваем из поколения в поколение чистую расу Горохов с высоким стеблем, муж ские и ж енские гаметы, образую ­ щие зиготы, из которы х развиваю тся особи каж дого следующего поколения, бывают одинаковы по своим наследственным свойствам .

Образую щ ую ся в результате сли ян и я одинаковы х гамет зиготу назы ваю т гомозиготой (гомо — равны е, одинаковые) .

Таким образом, все особи данного чистого сорта будут го­ мозиготными .

Однако не так обстоит дело в случае скрещ ивания особей, принадлеж ащ их к двум различны м расам, хотя бы и различаю щ им­ ся между собой лиш ь по одному какому-либо п ризн аку .

Если мы скрещийаем горох высокорослый с горохом низким, то соверш енно очевидно, что их гаметы будут разли чаться по то­ му гену, от которого зависит развитие данного п ризн ака. Обо­ значим ген, определяющ ий развитие высокого роста, бук­ вой А, а ген, определяю щ ий низкий рост, буквой а. В результате слияния гамет А и а при оплодотворении получается зигота Аа .

Это уж е будет гетерозигота (гетеро — разны й), поскольку она возникла в результате сли ян и я двух различны х гамет. Если при­ зн ак А доминирует над а, то эта гетерозиготная особь А а феноти­ пически не будет отличаться от гомозиготной доминантной, но по генотипу она будет иной, так к а к чистая доминантная особь име­ ет строение А А, поскольку она образовалась в результате сл и я­ ния двух одинаковых гамет (А).

Таким образом, мы можем пред­ ставить схему моногибридного скрещ ивания в таком виде:

–  –  –

Гетерозиготная (гибридная) особь А а в свою очередь образу­ ет гаметы, при слиянии которы х образую тся зиготы, из них р аз­ виваю тся особи второго поколения .

К акие ж е гаметы образую т гибриды первого поколения? Я в­ ляю тся ли эти гаметы такж е гибридными, т. е. несущими оба ге­ на А и я? Е сли бы это было так, то легко себе представить, что во втором поколении не наблю далось бы расщ епления, а возни ка­ ли бы снова лиш ь такие же гибридные формы, т. е. была бы пос­ тоянно-промеж уточная наследственность, которой в действитель­ ности не сущ ествует. Остается допустить другое: несмотря на свой гибридный, гетерозиготный, характер, особи первого поко­ ления А а образую т чистые, негибридные гаметы, в которых не совмещаются аллельны е гены, влияю щ ие на развитие противо­ полож ны х, исклю чаю щих друг друга п ризнаков. Значит, в дан ­ ном случае у гетерозиготной формы могут образоваться гаме­ ты А или а. Е сл и теперь мы допустим, что вследствие большого числа образую щ ихся гамет одинаково вероятно образование га­ мет обоих сортов — А и а, то нам станет совершенно ясно, что это положение неизбежно долж но привести к той картине, кото­ рую мы наблюдаем при расщ еплении во втором поколении (см .

рис. 16) .

В самом деле, если гибрид образует равное количество м уж ­ ских и ж енских гамет обоих типов — А и а, то в результате оп­ лодотворения возможны различны е сочетания гамет, а именно А А, Аа, аа, причем зигот А а образуется вдвое больше, чем зи­ гот А А или аа, к ак это ясно из прилагаем ой схемы:

–  –  –

Рис. 16. Схема, иллюстрирующая теорию чистоты гамет на примере скрещивания растений с красными и белыми цветками .

Гаметы мужские п женскпе, несущие ген красной окраски, показаны темными, несущие же ген белой окраски — светлыми .

Н а этой схеме прямыми линиями показаны возможные сочетания гамет при оплодотворении. Д ругим и словами, мы получим во втором поколении различны е формы в отношении А А : 2Аа : аа, что вполне соответствует результатам менделевского расщепле­ ния при моногибрпдном скрещ ивании .

Т аким образом, гипотеза чистоты гамет очень хорошо объяс­ няет те закономерные отнош ения, которые получаю тся в резуль­ тате расщ епления во втором поколении .

Анализирующее скрещ ивание. П ри постановке генетического эксперимента особенно большое значение имеет скрещ ивание гибридных, гетерозиготных, форм, полученных в первом поко­ лении, с исходными формами, особенно с рецессивными. Т ак, наприм ер, скрещ ивая растения львиного зева, у которого крас­ ные цветки, с расой, имеющей белые цветки, мы получим в первом поколении растения, имеющие розовые цветки. Затем мы можем скрестить такой гибрид с растением гомозиготным, имеющим красные или белые цветки. Т акое скрещ ивание имеет большое значение для ан али за особенностей генотипа гибрида, которые легче вы являю тся при скрещ ивании с гомозиготной исходной формой. Скрещ ивание такого типа назы ваю т возвратным или анализирую щ им скрещ иванием. В случае наличия доминирова­ ния особенно интересны и важ ны скрещ ивания с исходными рецессивными формами .

Посмотрим, что дает такое возвратное скрещ ивание. При скрещ ивании Горохов с желтыми й зелеными семядолями, разли ­ чаю щ ихся одним признаком, зависящ им от одного гена, в первом поколении семена всегда получаю тся желтые вследствие полного доминирования ж елтой окраски. Что же получится, если мы • скрестим растение, развивш ееся из такого гибридного семени, с чистым горохом, имеющим желтые или зеленые семена?

Е сли менделевская гипотеза чистоты гамет верна, то мы мо­ жем вполне точно на ее основании предсказать результат. Воз­ можность предвидеть результат есть, конечно, лучш ая проверка правильности тех или иных теоретических заключений .

И так, обозначим ген, или, к а к его назы вал М ендель, фактор ж елтой окраски гороха, к ак доминантный, буквой А, а соответ­ ствующий ему рецессивный аллельны й ген, определяю щ ий зеле­ ную о краску, буквой а. Тогда горох с желтыми семенами будет А А, а с зелеными — аа, поскольку каж ды й из них развился бла­ годаря слиянию двух одинаковых гамет, несущих соответствую­ щие гены .

Схему моногибридного скрещ ивания можно изобразить так:

–  –  –

Гибриды первого поколения образую тся от соединения двух различны х гамет — А и а .

Т еперь представим себе возвратное скрещ ивание, т. е. скрес­ тим полученную гетерозиготную форму А а (желтые семена) с чистой гомозиготной формой аа (зеленые семена) .

Согласно гипотезе чистоты гамет гетерозиготная особь обра­ зует два сорта гамет — А и а, а рецессивная аа только один сорт гамет — а.

И сходя из этого, результат скрещ ивания долж ен быть следующий:

р Ао * 00 гаметы / \ / \ '• \ Х 1 В первом поколении от такого скрещ ивания мы долж ны полу­ чить два типа особей, и притом в равном количестве: половина из них будут гетерозиготные желтые семена А а, а д р у гая половина гомозиготные зеленые аа .

В опытах действительно во всех подобных случаях получа­ ется именно такой р езул ьтат, какой и следует ож идать на основе гипотезы чистоты гамет .

Н аличие такого расщ епления показы вает, что гетерозиготная форма образует два типа гамет в одинаковом количестве .

Однако какой же механизм определяет чистоту гамет? Поче­ му в гамету долж ен попасть лиш ь один из аллельны х генов — либо А, либо а, а вместе они в одну гамету попасть не могут? Все дело в том, что гены, составляю щ ие пару аллелей Л и о, распо­ ложены в соответствующих точках (локусах) парны х гомологич­ ных хромосом. В таком случае у скрещ иваемой доминантной формы в соответствующих точках пары хромосом расположены гены А и А, а у рецессивной в тех же участках такой же пары хромосом соответственно а и а .

Т а к к ак при образовании половых клеток в профазе мейоза гомологичные хромосомы сначала сближ аю тся (конъюгируют), а затем расходятся к разным полюсам, то в каж дую гамету попа­ дает только одна из двух парны х хромосом. П ри слиянии ж е га­ мет в зиготу попадает одна хромосома с геном А, д ругая — с геном а. Д алее, при образовании гамет в процессе мейоза у гибрида А а сначала произойдет конъю гация гомологичных хро­ мосом, а затем их расхож дение к разным полюсам клетки, гаметы гибрида получат либо хромосому с геном А, либо с ген ом а. Это значит, что гаметы гибрида, по выражению М енделя, чисты, они могут содерж ать лиш ь один из пары аллельны х генов .

Дигибридное скрещ ивание. Закон независимого распределения .

Все рассмотренные до сих пор скрещ ивания были моногибридные. В озникает вопрос: к ак будет идти наследование в том слу­ чае, если скрещиваемые особи различаю тся не одной парой при­ знаков, а двум я или большим количеством?

Ответ на этот вопрос был дан такж е Менделем, его знамени­ той работой с растительными гибридами .

Рассмотрим наиболее простой случай, а именно дигибридное скрещивание, когда скрещ иваемые формы различаю тся двум я п ар а­ ми п ризнак о в, зависящ им и от двух пар аллельны х генов .

Д л я примера разберем скрещ ивание плодовых муш ек дрозо­ фил. Это излюбленный лабораторны й объект генетиков, так к ак дрозофилы очень быстро размнож аю тся (см. главу II I). Бы ли скрещены мухи, имеющие плохо развитые зачаточные кры лья и серовато-желтую о краску тела, с мухами, отличающимися тем­ ным цветом тела и нормальными кры льям и. В таком сочетании скрещиваемые мухи отличались двумя признакам и: окраской те­ ла и формой кры льев .

В первом поколении все мухи были одного типа, а именно они имели нормальную серо-желтую окраску тела и нормально раз­ витые кры лья .

(в (п tV ) СЗ П Ш В Г) — СУП с и Рис. 17. Схема дигибридного скрещивания мухи дрозофилы .

Скрещены: муха нормального цвета с зачаточными крыльями vestigial о м у х о й темного цвета ebony и с нормальными крыльями; е — ген темпого цвета, Е — ген нормального цвета, v — ген зачаточных кры­ льев, V — ген нормальной длины крыльев .

Т аким образом, эти особенности оказали сь доминантными, а п ризнаки — зачаточные кры лья и темная окраска тела — рецес­ сивными .

Н о особенный интерес представляет в этом случае второе по­ коление. К ак показано на рисунке 17, во втором поколении наб­ лю дается более сложное расщепление. Здесь было получено 4 различны х типа особей: мухи с нормальным цветом тела и нор­ мальными кры льям и, мухи темного цвета с нормальными к р ы л ья ­ ми, мухи нормального цвета, но с зачаточными кры льям и, мухи темного цвета с зачаточными кры льям и .

Количественное соотношение этих четырех групп мух второ­ го поколения следующее: на 9 мух нормального цвета и с норм аль­ ными кры льям и приходится 3 темных с нормальными к р ы л ья ­ ми, 3 нормального цвета с зачаточными кры льям и и 1 темная с зачаточными кры льям и, т. е. количество мух различны х типов составляет отношение 9 : 3 : 3 : 1 .

Н а первый взгл яд непонятно, к ак объяснить подобное к о л и ­ чественное соотношение разных фенотипов во втором поколении .

При ближайш ем анализе нетрудно выяснить, что это соотноше­ ние но сущ еству вытекает из независимого сочетания во втором поколении признаков каж дой пары (3 : 1), (3 : 1) .

Закон независимого распределения. Если произвести под­ счет особей второго поколения на достаточно большом материале, обращ ая внимание лиш ь на одну пару противоположных п ри ­ знаков (игнорируя другую ), то мы тотчас же убедимся, что к а ж ­ дая п ара признаков расщ епляется согласно основному закону Г. М енделя (отношение 3 : 1 ). В самом деле, по цвету тела мы имеем на каж ды е 16 особей второго поколения 12 светлых и 4 тем­ ных, или 3 : 1, а по длине кры льев — 12 с нормальными к р ы л ья ­ ми и 4 с зачаточными, или такж е 3 : 1. Это значит, что каж д ая пара признаков расщ епляется независимо от другой в отношении 3 : 1, характерном для моногибридного скрещ ивания .

Теперь понятно, откуда получается соотношение фенотипов во втором поколении 9 : 3 : 3 : 1. (3 + 1) X (3 + 1) = (3 + 1)а= = З2 + 2 X 3 + I 2 = 9 + 3 + 3 + 1 .

Закон независимого распределения признаков, или закон неза­ висимого распределения генов, п р и д и г и б р и д н о м с к р е щ и в а ­ н и и (и более слож ном—полигибридном)—второй закон М енделя .

В приведенном нами примере были скрещ ены светлые мухи с зачаточными кры льям и с темными мухами, имеющими норм аль­ ные кр ы л ья. В озникает вопрос: а не получится ли иной резуль­ тат, если эти признаки у исходных родительских форм будут скомбинированы иначе, а именно если скрестить темную муху, имеющую зачаточные кры л ья, с мухой светлой, обладающей нор­ мальными кры льями? О казы вается, что в таком случае и в пер­ вом и во втором поколении результат получится совершенно тож ­ дественный с описанным выше .

Т аким образом, если скрещиваемые особи отличаются одна от другой двумя и большим количеством пар признаков, то во втором ’поколении наблюдается независимое расщепление по каж дой паре признаков, независимое распределение генов, оп­ ределяющих эти признаки .

Независимое распределение и гипотеза чистоты гамет. При изучении моногибридного скрещ ивания мы видели, что наблю-, даемое расщепление прекрасно объясняет гинотеза чистоты га­ мет. О казы вается, что и расщепление при дигибридном скрещ и­ вании подтверждает правильность этой гипотезы .

В самом деле, обозначим гены, определяющие соответствен­ ные признаки, буквами:

нормальный цвет тела — Е\ темный (эбонитовый) цвет тела — е;

нормальные кры лья — V;

зачаточные кр ы л ья — и .

Гены Е w e составляю т одну пару аллелей, а гены F и » — другую пару аллелей. Согласно гипотезе чистоты гамет гаметы чисты, т. е. не могут содерж ать два аллельны х гена. Это значит, что в гаметах дигибрида E eV v не могут быть вместе гены Е и г или V и v, но гены каж дой из этих пар комбинирую тся в гаметах независимо друг от друга. Таким образом, дигибрид первого по­ коления образует следующие типы гамет;

EV, Ev, eV, ev .

При этом образование каж дого из четырех сортов гамет оди­ наково вероятно, и они появляю тся примерно в одинаковом количестве. Чтобы легче представить себе все возможные соче­ тания муж ских и ж енских гамет, воспользуемся решеткой Пеннета, называемой так по имени ученого, впервые применившего этот метод (см. рис. 18) .

К вадрат делят на 16 клеток, на двух сторонах выписывают гены муж ских и ж енских гамет дигибрида. В соответствующих клетках можно написать все возможпые сочетания ж енских и муж­ ских гамет. Принимая далее во внимание, что светлый цвет тела доминирует над темным, длинные кры лья над зачаточными, мож­ но без труда определить, сколько возникнет особей (из 16) к а ж ­ дого фенотипа. О казы вается, что их количественное соотноше­ ние вполне соответствует тому, что получается в опыте, полу­ чаются четыре группы разных фенотипов в отношении;

9 EV: 3Ev: 3eV: lev .

–  –  –

Семена первого поколения получаю тся по фенотипу желтые и гладкие вследствие полного доминирования гена А над а, и В над Ь, но особи первого поколения гетерозиготны (см. рис. 20) .

Н ам известно, что в процессе мейоза в гаметы попадает лиш ь одна из пары гомологичных хромосом. При этом отцовские и ма­ теринские хромосомы одной пары распределяю тся независимо от хромосом другой пары .

В результате дигибрид АаВЪ образу­ ет 4 сорта гамет, заключаю щ их различные сочетания генов, а именно А В, A b, аВ, ab. Д алее на рисунке 20 на одной стороне решет­ ки Пеннета изображ ены 4 типа муж ских гамет, а на другой сто­ роне — те же 4 типа ж енских гамет. В результате во втором по­ колении получается 16 различны х сочетаний гамет. Л егко под­ считать, что при наличии полного доминирования получится следующее расщепление по фенотипу: 9А В -\-ЪАЬ + 3 аВ + lab, такое отношение и получается в опытах .

Т аким образом, обнаруж ивается замечательное соответствие экспериментальных данных генетики и процессов, происходящ их с хромосомами во время мейоза. Гипотеза чистоты гамет подтвер­ ж дается фактом нахож дения в гамете всегда лиш ь одной из двух гомологичных хромосом. А так к ак аллельны е гены (доминант­ ный и рецессивный) расположены в идентичных точках гомоло­ гичных хромосом, то они не могут попасть в одну хромосому .

Они всегда расположены в двух парны х. П онятно, что в гамету из двух таких генов при расхождении хромосом в мейозе может попасть лиш ь один. Эти гаметы никогда не несут двух ал л ел ь­ ных генов, т. е. не бывают гибридными, чем и определяется в дальнейш ем менделевское расщ епление во втором поколении .

Независимое же распределение во в т о ­ р о м п о к о л е н и и п р и д и г и б р и д н о м (и полигпбридном) с к р е щ и в а н и и объясняется тем, что гены, составляющие различные пары ал­ лелей, локализованы в различных парах хромосом, которые в мейозе расходятся н е з а в и с и м о д р у г о т д р у г а. В связи с этим возни­ кает интересный вопрос. Несомненно, что количество генов, от которы х зависит развитие тех или иных признаков у данного ви­ да, долж но быть очень велико, а между тем число пар хромосом обычно небольшое, у гороха их 7 п ар, у дрозофилы 4 пары и т. д .

(см. таблицу на стр. 13). Число хромосом в общем незначи­ тельно по отношению к возможному числу различны х генов. С другой стороны, независимое наследование, как видно из выше­ изложенного, объясняется локализацией генов в различны х п а­ рах хромосом. Однако н ельзя допустить, чтобы в каж дой хромо­ соме был локализован только один ген. Несомненно, что в к а ж ­ дой хромосоме локализовано очень много генов, и, к ак будет ясно в дальнейшем, генетика располагает достаточными доказательст­ вами этого. К ак же согласовать независимое распределение ге­ нов с возможностью их локализации в одной и той же хромосоме?

Ответ на этот вопрос дает ряд открытий в области генетики 20-х и последующих годов нашего столетия, главным образом открытия Т. М о р г а н а и его школы, сформулировавш их закон сцепле­ ния генов. Будем иметь в виду, что независимое наследование имеет место только в тех сл уч аях, когда мы имеем дело с п ри зн а­ кам и, зависящ ими от аллельны х генов, расположенных в различ­ ных п арах хромосом .

Т р и г и б р и д н о е и п о л и г и б р и д н о е с к р е щ и в а н и я. Все рассмотрен­ ные примеры дают убедительное доказательство правильности второго закона Г. М енделя — закона независимого распределе­ ния, или независимого ком бинирования, генов при дигибридном скрещ ивании .

Н о сущ ествуют такие случаи, когда скрещ иваемые особи раз­ личаю тся не двум я, а тремя и большим количеством признаков .

Н аблю дается ли в таких случ аях такж е независимое сочетание генов или нет? О казы вается, что во многих случаях расщепление происходит сходно, и закон Менделя обнаруж ивается при более слож ны х скрещ иваниях, конечно если исследуемые наследствен­ ные признаки зависят от трех и более пар аллелей, локали зован ­ ных в разных парах хромосом .

П ри этом надо иметь в виду, что расщ епление уже при тригибридном скрещ ивании достигает большой сложности, не гово­ ря уж е о тех сл у ч аях, когда скрещиваемые особи различаю тся еще большим количеством признаков .

Возникает вопрос: в к а к о й В ы числение вероятной о ш иб ки .

степени получаемые в опытах отношения расщ епляю щ ихся форм соответствуют тем, которые ожидаю тся теоретически? Получен­ ные отношения во всех случаях близки к теоретически ожидае­ мому отношению 3 : 1, но все ж е от него наблюдаются незначитель­ ные отклонения .

Однако далеко не при всяком скрещ ивании можно получить достаточно большое количество особей, и в таких случ аях несов­ падение получаемых отношений с ожидаемым будет, конечно, еще больше .

Поскольку менделевское расщепление есть результат равн овероятн ого сочета­ н и я б о л ь ш о г о ч и с л а р а з л и ч н ы х г а м е т, п остольку вероятность определенных соче­ т а н и й б у д е т з а в и с е т ь от и х ч и с л а, т. е. о т количества полученного п о т о м с т в а. П рак­ тически очень важ но знать, когда мы можем считать полученные отношения при расщеплении подтверждающими менделевские закономерности. Д ругими словами, мы долж ны знать, леж ат ли полученные от ожидаемого отклонения данные в пределах до­ пустимой ошибки. Д ля того чтобы решить этот вопрос, необхо­ димо прежде всего знать, каки е числа ожидаются теоретически при данном количестве изученных особей .

Представим себе, что мы получили соотношение доминант­ ных и рецессивных особей при моногибридном скрещ ивании во втором поколении такое: 428 : 152 при общем количестве полу­ ченных особен 580 .

Н етрудно вычислить, что ожидаемое отношение при 580 по­ лученных особей долж но быть 435 : 145, по формуле q = у —f в которой q — ожидаемые числа, у — п оказатель частоты данного фенотипа (3 или 1), п — сумма наблюдаемых чисел, a k — сум­ ма членов отнош ения, т. е. 3 + 1 = 4 (к) .

П одставляя соответствующие числа, получим:

580,,г, 580.._ q q = 3. — = 435 и q. — I 145 .

–  –  –

Рис. 23. Серия аллеломорф, влияющих на форму цветка у львиного зева Antirrhinum, majus .

колоса, причем полуостистость в свою очередь доминирует над остистостью. Открытие и изучение множественных аллелей пред­ ставляет очень большой интерес. Н а л и ч и е множест­ венных аллелей показывает, что в о з м о ж ­ но с у щ е с т в о в а н и е не д в у х состояний ге­ н а — доминантного и рецессивного, а ц е л о г о р я д а и з м е ­ нений определенного участка хромосомы, в о з н и к а ю щ и х п у т е м м у т а ц и й. Само понятие доми­ нирования оказывается в высокой степени относительным к ак по­ тому, что. степень его может зависеть от внешней среды и влияния других генов, так и потому, что рецессивная по отношению к од­ ному аллелю мутация может быть доминантной по отношению к новым мутационным изменениям того же гена .

Взаимодействие генов и неожиданны е соотнош ения при скрещ и­ вании. Выше была уже отмечена слож ная картин а взаимоотнош е­ ний между геном и признаком. Н о к такому заключению генети­ ка приш ла не ср азу, а долгим и трудным путем ан али за наследо­ вания различны х признаков .

У ж е вскоре после переоткрытия закона М енделя (1900 г.) стали накапливаться такие факты, когда в результате скрещ ива­ ния особей, которое долж но было дать результат, аналогичный менделевским опытам, получались результаты, соверш енно не­ ожиданные: расщепление носило иной характер. П олучались от­ нош ения, казал о сь, ничего общего не имеющие с менделевскими отношениями. Во втором и даж е в первом поколении появлялись новые формы, возникновение которых нельзя было предвидеть, имея в виду заведомую гомозиготность исходного материала. Т а­ кого рода факты использовались многими противниками менде­ лизма, причем указы валось, что менделевские закономерности — это лиш ь частный случай наследования. Эти законы не распрост­ раняю тся на весь органический мир и на все наследственные осо­ бенности .

Но быстрый рост генетических исследований и усоверш енст­ вование методики гибридологического анализа привели скоро к тому, что все подобные случаи наш ли объяснение в законах Мен­ деля. С другой стороны, работа в этом направлении вскры ла це­ лый ряд моментов, способствовавших выработке более п равиль­ ного взгляда на сложные процессы наследования .

Д ля примера разберем подобный случай. Одним из наиболее изученных в генетическом отношении признаков животных я в ­ ляется окраска. ч В биологических лабораториях одним из обычных объектов являю тся белые мыши. Скрещ ивание белой мыши с серой (отли­ чие в одном признаке) часто, но не всегда дает ожидаемые резуль­ таты, а именно: обычно в первом поколении появляю тся серые гетерозиготные мыши (доминирует наличие окраски), а во вто­ ром поколении наблюдается типичное расщепление в отношении 3 серых на 1 белую мышь. Таким образом, в данном случае оче­ видно, что скрещиваемые серая и белая мыши различаю тся по

•одной паре аллельны х генов. Но оказы вается, что в некоторых случаях при скрещ ивании серой и белой мыши во втором поко­ лении наблю дается на первый взгл яд довольно странное расщ еп­ ление: получаю тся серые мыши, белые и, кроме того, черные в от­ ношении: 9 серых, 3 черных, 4 белых .

Этот результат может быть легко объяснен благодаря знанию генетики окраски мышей. С ерая окраска мыши развивается под влиянием целого ряда генов, а не одного. Среди этих генов осо­ бое место занимает ген, вообще вызывающий развитие окраски (С) при наличии любых других генов, определяю щих развитие того или иного пигмента. Но если ген С мутирует в ген с, окрас­ к а не разовьется и мышь будет белая.

Т ак ая белая мышь гено­ типически отличается от серой только одним аллельным геном (С — с) и потому при скрещ ивании с серой получается простое моногибридное расщ епление во втором поколении по типу:

3 серые (I СС 2 Сс), 1 белая (сс) .

Но серый цвет мыши, кроме того, зависит от особого гена, кото­ рый обусловливает своеобразное распределение пигмента в волосе, свойственное многим диким животным. В каждом волосе пигмент распределен зонарно так, что черный пигмент чередуется с ж ел­ тым, в результате чего получается д и к ая серая окраска, или ок­ раска агут и, назы ваем ая так по имени гры зуна, живущ его в Северной Америке. Отсюда и ген, вызывающий зонарное распре­ деление черного и ж елтого пигментов в волосе, получил название гена агути — А. Если произойдет м утация и ген А превратится в ген а, то при наличии основного гена окраски С в доминантном состоянии мышь, имеющая формулу ССаа, будет черная .

Н етрудно представить себе теперь, что белые мыши, совер­ шенно тождественные по фенотипу, могут быть различны ми по ге­ нотипу, т. е. мышь будет белой при наличии лиш ь одного рецес­ сивного гена — основного гена цветности ссАА. Белой будет такж е мышь, имеющая два рецессивных гена: ссаа .

Ч то же получится, если такую белую мышь ссаа скрестить с серой ССАА?

П риведенная таблица (см. рис. 24), составленная при помощи известной нам реш етки Пеннета, показы вает, что в таком случае в первом поколении мы долж ны получить серых мышей, гетеро­ зиготных по двум генам (СсАа), а во втором поколении должно иметь место расщ епление в отношении 9 серых, 3 черных и 4 белых .

Т аким образом, получается результат, соответствующий то­ му, который обнаруж ен в опыте. Результаты расщ епления во втором поколении от скрещ ивания серых и белых мышей завиР Серый Альбинос СС А А СС а а Дикий агути Сс Аа сят от разны х генотипических свойств белых мышей, взяты х для скрещ ивания .

Можно легко п оказать, что получаемое при этом отношение 9 : 3 : 4 представляет собой замаскированное дигибридное р ас­ щ епление 9 : 3 : 3 : 1. Ведь белые мыши распадаю тся по гено­ типу на две группы: одни имеют доминантный ген А (3), а другие имеют оба рецессивных гена ссаа (1). Кроме того, совершенно ясно, почему получаю тся неожиданные формы (черные): эти мы­ ши имеют основной ген окраски С, но гена агутн они не получи­ ли и волосы у них оказали сь равномерно окрашенными .

Зависимость п ризнака от многих генов. Приведенные выше примеры показы ваю т, в какой степени может быть сложно взаимо­ отношение между признаком и целым комплексом генов .

Различные комбинации генов при скрещ ивании ведут, таким образом, к появлению новых п ризн аков, к тому, что часто назы ­ вают комбпнативной изменчивостью. Вот почему для выяснения вопроса о связи между генотипической структурой организма и его внешними признакам и н аряд у с генетическим анализом, и зу­ чением действия отдельных генов, важ ен и генетический синтез, заклю чаю щ ийся в комбинировании различны х генов и изучении тех новообразований, которые при этом получаю тся. В аж но и зу­ чение действия отдельных генов при различны х их сочетаниях .

Все это показы вает, что организм животного или растения со всеми его признакам и не представляет чего-то подобного мозаике, где каж дому гену соответствует определенный п ризн ак. Т акое представление яв л яется, несомненно, грубо механистическим, не соответствующим действительности. Н аоборот, развитие при­ зн ака определяется совокупностью всего ком плекса генов, гено­ типом данной особи в целом. О р г а н и з м м ы долж ны пред­ ставить себе как е д и н о е ц е л о е, в к о т о р о м р а з в и т и е тех или иных п р и з н а к о в я в л я е т с я р ез ул ьт ато м сложных взаимодействий и связен между ге­ нами, о п р е д е л я ю щ и м и эти п р и з н а к и, а т а к ж е и теми взаимосвязями, которые существу­ ют м е ж д у р а з л и ч н ы м и частями о р г а н и з м а в процессе развития признака .

П л е й о т р о п н о е д е й с т в и е г е н о в. Необходимо иметь в виду, что каж ды й отдельный ген (локус хромосомы), несомненно, влияет на развитие не одного п ри зн ак а, а целого ряд а их. П ри изучении наследственности чаще изучаю т внешние призн аки, потому что о н и обращаю т преж де всего н а себя внимание и изучение их н а­ следования проще. П ри этом часто вопрос: не связано ли то внеш ­ нее изменение, по которому мы узнаем ту или иную мутацию, с различны ми изменениями внутренних органов, изменениями фи­ зиологического х ар актера и т. п., остается открытым. В послед­ нее время с развитием так назы ваемой биохимической генетики все больше вскры вается связь между первичными процессами в кл етк ах, обусловленными влиянием отдельных генов — локусов хромосом, — и развитием внешних признаков .

Имеются данные, которые позволяю т утверж дать, что д е й ­ ствие многих генов в большей или мень­ ш е й с т е п е н и плейотпропно. Это значит, что ген, помимо того п р и зн ак а, по изменению которого судим о его наличии, в л и я­ ет на развитие целого ряд а других особенностей. Т ак, установлено, что некоторые видимые мутации (по окраске гл аз, тела, фор­ ме кры льев) у дрозофилы сопровождаю тся изменением продолж и­ тельности ж изни м ух, изменениями в строении внутренних орга­ нов, в частности полового ап п арата, и т. д. Сюда ж е, по-видимо­ му, долж ны быть отнесены и некоторые особенности альбиносов у гры зунов — их меньш ая жизнеспособность и др .

Л етальны е гены. Б ольш ая часть признаков, на наследовании которых мы до сих пор останавливали внимание, касалась внеш­ них особенностей растений или ж ивотны х: окраска, форма, раз­ меры. П равда, при этом вы яснилось, что перечисленные призн а­ ки зависят в своем развитии у данной особи от наследственных факторов — генов, которые в то же время влияю т и на другие, внутренние, физиологические особенности организм а. Т ак, было отмечено влияние некоторых генов на продолж ительность жизни данной формы. П онижение жизнеспособности некоторых мутан­ тов1 дрозофилы, вероятно, объясняется тем, что ген, влияю щ ий, наприм ер, на форму кры льев, в то же время оказы вает влияние на какие-то внутренние особенности, что наруш ает нормальное течение физиологических процессов и ведет к укорочению жизни данного мутанта .

Такое влия ние м ута нтного ал л е л я в сто­ рону понижения жизнеспособности в не­ которых случаях может быть настолько значительным, что несущие этот аллель м у т а н т ы о к а з ы в а ю т с я в о в с е не ж и з н е с п о ­ собными. Тогда говорят о летальном — с м е.рт е л ь н о м — действии гена .

Рассмотрим несколько примеров описанных летальны х генов .

В Англии сущ ествует м ясная порода рогатого скота, извест­ н ая под названием «декстер». Ж ивотные отличаю тся плотным сло­ жением и короткими ногами. Эти призн аки являю тся доминант­ ными. Однако известно, что все особи данной породы гетерози­ готны. При скрещ ивании их между собой получается V4 мертвых выкидышей, очень уродливы х бульдоговидных телят. Таким образом, телята, гомозиготные по гену «декстер», оказываю тся нежизнеспособными. Этот ген обладает рецессивным летальным действием. Н о этот же ген по своему влиянию на ряд других осо­ бенностей оказы вается доминантным. Т акие гены назы ваю т до­ минантными генами с рецессивным летальным действием. Н аличие этого гена в гомозиготном состоянии вызывает такие ненормаль­ ности в строении телят, которые препятствую т их выживанию .

Н е всегда бывает легко объяснить действие летального гена ясно заметным его влиянием на недоразвитие тех или иных ор­ ганов, что вызывает гибель гомозиготных по летальному гену особей .

И звестна порода курчавы х кур. Эта особенность зависит от действия особого гена и оказы вается доминантной. Все курчавые куры гетерозиготны. Гомозиготные по гену курчавости формы не существуют, потому что этот ген обладает рецессивным леталь­ ным действием .

1 Мутантом называют особь, у которой признак изменен в результате мутации .

Перед нами еще один интересный случай, когда ген в одном отношении является доминантным (курчавость), а в другом от­ ношении (летальное действие) — рецессивным .

Этот пример интересен еще и тем, что пока неясно, почему в гомозиготном состоянии ген курчавости дает летальны й эффект .

По-видимому, дело в том, что данный ген в своем плейотропном действии влияет такж е на физиологические особенности ж ивот­ ного .

В настоящ ее время изучено большое количество летальных генов, причем оказы вается, что летальны х мутаций, ведущих ор­ ганизм к гибели, возникает чрезвычайно много .

Особенно много летальны х мутаций известно у дрозофилы, причем больш ая часть их являю тся рецессивными деталям и, не вызывающими каки х-ли ­ бо внешних видимых изменений у гетерозиготных форм. В таком случае следует предполож ить, что эти гены влияю т на те или иные внутренние органы или физиологические особенности, причем и в этом отношении они являю тся рецессивными, а у гомозиготных форм вызывают летальный эффект .

Изучение деталей имеет большое практическое значение. Л е­ тальные гены не какая-либо особая группа генов, — эти гены отличаю тся от других лиш ь тем, что, вл и яя на органы, имеющие большое жизненное значение, они ведут к такому изменению этих органов, которое в свою очередь отраж ается на большей или меньшей жизнеспособности особи. Лучш е говорить не о леталь­ ных генах, а о летальном действии того или ийого гена .

Здесь уместно ск азать, что н аряду с летальными и полулетальными мутациями, имеющими отрицательное значение в хозяй­ ственном отношении, нам известны и мутации иного порядка, когда изменение гена ведет к повышенной жизнеспособности и стой­ кости организма. Т ак, у сельскохозяйственных растений полу­ чены мутационным путем формы, отличающиеся большой засухо­ устойчивостью, иммунностью по отношению к зараж ению гриб­ ными заболеваниями, неполегающие, с повышенной урож айно­ стью и т. п. Ясно, что в таком случае изменение гена влечет за собой такого рода изменения структурны х и физиологических осо­ бенностей организма, которые имеют не отрицательный, а поло­ жительны й характер .

ЗАКО Н СЦЕПЛЕНИЯ ГЕН О В Т. Г. М О РГАН А

Н ачи н ая со второго десятилетия X X в. развитие генетичес­ ких исследований привело к ряд у важ нейш их открытий .

После переоткрытия законов М енделя — основных законов наследственности — всеобщее признание получила хромосомная теория наследственности. Бы ло установлено, что отдельные уча­ стки хромосом — гены — специфически влияю т на развитие тех или иных наследственных признаков организма .

Вслед за физикой и химией основой генетической н ауки стала идея корпускулярности материи, в данном случае дискретных единиц наследственности определенных участков хромосом—генов .

У спехи в развитии генетики были связаны с двум я очень важ ­ ными условиями .

Б ы л найден среди животных исклю чительно выгодный для генетических исследований объект — м елкая плодовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster). О казалось, что дрозофила легко выж ивает и разви вается в лабораторны х условиях — в п робирках с питательной средой. Она дает новое поколение че­ рез 10—12 дней. Это значит, что в год можно получить около 30 поколений. Кроме того, дрозофила очень плодовита — одна сам ка может дать до 1000 потомков. К ак генетический объект дрозоф ила несравнима с другим и изучавш имися ранее ж ивот­ ными и, к ак это мы теперь знаем, уступ ает только м икроорганиз­ мам: бактериям и вирусам .

Кроме того, на первом этапе работ с дрозофилой была уста­ новлена ее вы сокая мутабильность в естественных условиях .

Д ругое открытие, совпавшее с началом работ с дрозофилой, было открытие влияни я лучей Рентгена на наследственную измен­ чивость, т. е. был найден метод искусственного получения мута­ ций (работы М еллера, Н адсона, Ф илиппова и других в 1917— 1927 гг.) .

Эти исследования привели к откры тиям первостепенного зна­ чения. Больш ую роль сы грали работы Т. Г. М органа, М еллера, Б ри дж еса, Стертеванта и ряда советских учены х— А. С. Серебровского, Н. П. Д убинина, И. А. Р апопорта, Б. Л. А стаурова и др .

Согласно второму закону М енделя — закону независимого распределения, — если скрещ иваемые особи различаю тся двум я и большим количеством пар аллелей, наследование каж дой п а­ ры аллелей происходит независимо. И звестно, что это независи­ мое распределение различны х генов основано на том, что в мейозе расхож дение к разным полюсам различны х пар отцовских и материнских хромосом происходит независимо д руг от д руга. Л о­ к ал и зац и я генов, образую щ их п ару аллелей в парны х гомоло­ гичных хромосомах, объясняет менделевское расщ епление. Л о­ кали зац и я различны х пар аллелей в различны х п арах хромосом объясняет механизм независимого распределения при дигибридном и полигибридном скрещ иваниях .

Однако число генов, от которы х зависит совокупность наслед­ ственных п ризн аков данного животного и растения, долж но быть чрезвычайно велико. Только окраска ш ерсти у гры зунов (кролик) зависит более чем от десятка генов. У мухи дрозофилы известно несколько сот генов. В действительности же число их значительно больше, так к а к нам известны только мутировавш ие гены .

Но если к аж д ая п ара аллелей наследуется независимо, по закону М енделя, то число генов долж но соответствовать и числу хромосом. А между тем число хромосом у различны х видов в об­ щем невелико. У мухи дрозофилы их всего 4 пары, у ку к у р у зы 10 пар, у человека 23 пары, а у различны х млекопитаю щ их 24— 30 пар .

Таким образом, получается несоответствие между числом ге­ нов и числом хромосом, и, очевидно, долж но наблю даться не только независимое распределение, но и зависим ая передача по­ томству различны х генов .

Т а к а я зависимость между наследованием различны х (не состав­ ляю щ их п ар у аллелей) генов наблю далась впервые довольно дав­ но, а именно еще в 1906 г. Бэтсон и Пеннет, скрещ ивая р азл и ч ­ ные расы душ истого горош ка, наблю дали связь в наследовании некоторы х генов. Она вы раж алась в ином неожиданном соотно­ шении форм при расщ еплении во втором поколении при дигибридном скрещ ивании. Н о окончательно ясна стала картина после исследований М органа и его ш колы, проведенных с муш кой дро­ зофилой, на примере которой в этом явлении легче разобраться .

Н а рисунке 25,.'й#иведены результаты одного из таких опытов .

Бы ли скрещ ены в д ш ^ ч е р н а я с зачаточными кры льям и (b v ) с норм альной по обойм этим п ризн акам — серой, имеющей длинные кр ы л ья. Бы ло проведено дигибридное скрещ ивание мух, отличаю щ ихся двум я признакам и (черный — нормальный цвет и зачаточные — нормальные кры лья) .

В первом поколении получены исклю чительно нормальные мухи вследствие доминирования нормальной окраски (В) над черной (6) и нормальны х кры льев (F) над зачаточными (v). В пеРис. 25.

Схема скрещивания дрозофилы:

ч е р н о й м у х и, им ею щ ей за ч а то ч н ы е к р ы л ь я, с м у х о й, им ею щ ей н о р м а л ь ­ н ы е к р ы л ь я и ц вет. П р и в о звр а тн о м с к р е щ и в а н и и сам ц а и з F, с р е ц е с ­ с и в н о й сам к о й о б н а р у ж и в а е т с я п о л н о е сц еп л ен и е ген ов bv и вV (по М о р г а н у ), реводе на обычные буквенные формулы это скрещ ивание может быть обозначено таким образом: B B V V X bbvv .

–  –  –

Во втором поколении долж но наблю даться расщ епление на че­ тыре типа мух в отношении 1 : 1 : 1 : 1, причем н аряд у с исход­ ными формами (нормальный цвет — нормальны е кры лья и чер­ ный цвет—зачаточные кры лья) долж ны появиться такж е мухи чер­ ные длиннокрылы е и нормального цвета с зачаточными кры ­ льям и .

Однако в опытах получаю тся данные, не подтверждающие это­ го расчета, основанного на законе М енделя, а именно вместо че­ тырех типов особей при анализирую щ ем скрещ ивании получа­ ется только два: мухи черные с зачаточными кры льям и и норм аль­ ные по обоим призн акам, т. е. получаю тся лиш ь исходные формы, взятые первоначально д л я скрещ ивания. Д ругим и словами, п олу­ чаю щ ийся р езультат дает право заклю чить, что черный цвет те­ ла и зачаточные кр ы л ья наследую тся вместе — сцеплены между собой, так ж е к ак и их нормальны е аллели — нормальны й цвет тела и нормальные кры л ья (см. рис. 25) .

М ожет возникнуть вопрос, не являю тся ли эти два призн а­ ка — цвет тела и длина кры льев — зависящ им и от одного гена .

Рпс. 26. Сцеплонпе генов у дрозофилы при скрещивании мухи нормального цвета с зачаточными крыльями с мухой черного цве­ та с нормальными крыльями (по М о р г а н у ) .

Если бы это было так, то резул ьтат, полученный в опыте, имел бы простое и исчерпывающее объяснение. Н о какого допущ ения сделать н ельзя просто потому, что эти прпйнакп могут сочетаться иначе, а именно могут быть мухи нормального цвета с зачаточны­ ми кры льям и и черного цвета с нормальны ми кры льям и .

Н а рисунке 26 приведен результат, полученный от скрещ ива­ ния так и х мух. В первом поколении, к а к и следовало ож идать, все мухи по внешности нормальны е. Возвратное (анализирую щ ее) скрещ ивание самца первого поколения с рецессивной (черная с зачаточными кры льям и) самкой дает в потомстве такж е не четыре, но лиш ь два типа форм, причем получаю тся и здесь исходные формы: нормальны й цвет — зачаточные кр ы л ья и черный цвет — нормальны е кры лья. Т аким образом, этот опыт показы вает, что цвет тела и форма кры льев зависят от различны х генов, но эти ге­ ны оказы ваю тся сцепленными между собой и передаются потом­ ству вместе, причем ген нормального цвета тела может быть сцеп­ лен к ак с геном нормальной формы кры льев (в первом опыте), так и с геном зачаточных кры льев (во втором опыте). В резул ь­ тате при анализирую щ ем скрещ ивании самцов первого поколения с рецессивными самками получаю тся исходные формы, взятые в качестве родительских .

Эти п многие другие подобные опыты находятся в противоре­ чии с законом независимого распределения. Однако такой р езул ь­ тат и долж ен получаться в тех сл у ч аях, когда гены локал и зо­ ваны в одной хромосоме .

В самом деле, если гены b и у (соответственно В и V у нормаль­ ной мухи) локализованы в одной хромосоме, к ак это схематично п оказано на рисунке 25, то гибрид первого поколения (FJ п олу­ чит одну хромосому с генами b и у от одного из родителей и д р у ­ гую парную к ней с генами В и Г о т другого (см. рис. 25) .

П ри расхож дении этих хромосом гены, естественно, будут наследоваться вместе (сцепленно), и гибридные особи первого поколения образую т не четыре сорта гамет (BV, B v, bV, bv), к а к должно было бы быть, если бы гены Ъ и у находились в р а з­ личных хромосомах, а лиш ь два — bv и BV .

Гаметы bV и B v не могут возникнуть без наруш ения целост­ ности хромосом, они отсутствуют среди половых клеток гибрида .

Отсюда совершенно понятно, каким образом в результате воз­ вратного скрещ ивания самца-гибрида с рецессивной по обоим ге­ нам самкой bv получаю тся в потомстве лиш ь два типа форм вме­ сто ожидаемых четырех .

Точно так ж е в другом опыте (см. рис. 26) результат опреде­ ляется тем, что у одной из исходных форм гены В н у л окал и зова­ ны в одной хромосоме, а b и V в другой. В результате эти гены оказы ваю тся сцепленными в дальнейш их поколениях .

В рассмотренных опытах скрещиваемые формы различались двум я парами генов» Однако у дрозофилы такж е можно без труда наблю дать сцепление трех, четырех и большего количества генов вследствие локали зац и и их в одной хромосоме .

Т аким образом, оказы вается, что менделевское независимое наследование имеет место лиш ь в тех сл у ч аях, когда изучаемые пары аллельны х генов располож ены в различны х хромосомах, и то, что в опытах М енделя с горохом не обнаруж ено было в свое время факта сцепления генов, объясняется тем, что изучалось наследование таких особенностей Горохов, которые определяю тся генами, локализованны ми в разны х хромосомах .

Н е удивительно, что по мере изучения наследования все б о л ь ­ шего количества различны х признаков, особенно у форм с неболь­ шим числом хромосом, неизбежным было выявление фактов сцеп­ ления генов .

Закон сцепления генов назы ваю т законом М орган а. Этот закон определяет характер наследования при л окали зац и и генов в одной хромосоме, и в свое время обнаруж ение явл ен и я сцепления убе­ дило исследователей, что именно х р о м о с о м ы являют­ ся н о с и т е л я м и тех м а т е р и а л ь н ы х частиц, к о т о р ы е н а з в а л и генами. Д альнейш ие исследования в этом направлении дали интересные результаты и целиком под­ твердили правильность объяснения явления сцепления генов .

^{Количество сцепленных групп и число хромосом у дрозофилы .

Выше уже не раз отмечалось, что у дрозофилы мы в настоящее время знаем несколько сот различны х мутаций, наследование ко­ торых достаточно хорошо изучено. Таким образом можно изучить закономерности наследования и отношение д руг к другу очень большого количества генов. Вскоре после откры тия сцепления генов М органом и его сотрудниками было установлено, что все известные у дрозофилы гены могут быть разбиты на 4 группы .

Гены, относимые в одну и ту же группу, обнаруж иваю т при по­ становке' соответствующих скрещ иваний сцепление д руг с другом, тогда как гены, относящ иеся к различны м группам, всегда насле­ дую тся независимо друг от друга. П ри этом обнаруж ился замеча­ тельный факт, что у дрозофилы оказалось только четыре таких группы сцепленпых между собой: генов, несмотря на большое ко­ личество известных у нее различны х генов (около 500). Н ельзя было не связать этого факта с тем, что у дрозофилы наблю дается всего 4 пары хромосом или в зрелы х половых к л е тк а х —гам етах— 4 хромосомы. О казалось, что ч и с л о сцепленных групп генов не превышает гаплоидного ч и с л а х р о м о с о м. Д алее был обнаруж ен еще один в вы­ сокой степени интересный факт. Четыре сцепленные группы ге­ нов дрозофилы оказали сь неодинаковыми по числу входящ их в них генов: три группы сцепленных генов заклю чали большое их число, а одна оказал ась маленькой, включающей немного генов. Это вполне соответствует различию в длине хромосом у дрозофилы (см. рис. 27) .

Е сли считать, что количество известных генов (а при боль­ ж ж шом числе известных генов это /г* вполне вероятно) в той или иной 1\ хромосоме тем больше, чем боль­ ше ее длина, то н ельзя считать Рис. 27. Комплексы хромосом случайным то обстоятельство, у дрозофилы .

что одна из сцепленных групп очень м ала по сравнению с другими. Именно с этой точечной хромосомой о казал ась св я­ занной сам ая м алая груп па сцепленных генов .

Сцепленные группы у других групп ж ивотны х и растений. Сцеп­ ление генов у дрозофилы хорошо изучено потому, что при не­ большом числе хромосом у нее известно большое количество му­ таций. Д ругие формы, к ак животные, так и растен ия, изучены в этом отношении меньше. Ф акты сцепления тех или иных отдель­ ных генов известны у многих домаш них животных и сельскохо­ зяйственны х растений, однако чащ е дело ограничивается отдель­ ными случаям и сцепления, и не приходится говорить о том или ином числе сцепленных групп по отношению к числу хромосом .

Н о о некоторых формах мы располагаем более полными данными .

Впервые явление сцепления было обнаруж ено Б э т с о н о м и П е н н е т о м у душистого горош ка (Lathyrus odoratus). В н а­ стоящее время у этого растения известен целый ряд генов, кото­ рые образую т 7 групп сцепления при семи п арах хромосом. И з других растений наибольш ее количество сцепленных групп генов известно у ку к у р у зы. У этого растения установлено 10 групп сцепления соответственно 10 парам хромосом при примерно 400.изучен ны х генах. Исследованы группы сцепления у томатов, я ч ­ меня и ряда других растений .

И з домашних ж ивотны х известны сцепленные группы у гры ­ зунов (мышь, кр о л и к, кры са) и у к у р. В этом отношении работа только н ачата, так к ак при 20 п арах хромосом у мыши известно около 200 генов в 15 груп пах сцепления. У ку р при 39 п арах хромосом — 8 групп сцепления. У человека —10 групп (при 23 п а­ рах хромосом) .

Очень большой интерес в этом отношении представляю т не­ которые виды дрозофил, близкие к виду Drosophila melanogaster, о котором ш ла речь выше .

Т ак, наприм ер, у Drosophila simulans имеется такж е 4 пары хромосом, у нее уи«е известны и четыре группы сцепления, тогда к ак у другого вида — Drosophila virilis, имеющего 6 пар хромо­ сом, число сцепленных групп генов такж е шесть .

Во всяком случае наиболее замечательно то обстоятельство, что ч и с л о и з в е с т н ы х с ц е п л е н н ы х г р у п п н и ­ к о г д а н е п -j^e в ы ш а е т ч и с л а п а р х р о м о с о м, что подтверждает’*, правильность объяснения факта сцепления генов локали зац и ей их в одной хромосоме .

^/Н аруш ение сцепления — кроссинговер (перекрест). До сих пор мы говорили о полном сцеплении генов, находящ ихся в одной хромосоме. В опытах с дрозофилой такое полное сцепление н а­ блю дается в тех сл у ч ая х, когда для анализирую щ его скрещ ива­ ния берут самцов-гибридов F, и рецессивных самок. Е сли же взять гибридных самок, то окаж ется, что у них полное сцепление в большей или меньшей степени наруш ается .

Рис. 28. Кроссинговер у дрозофйаш:

с кр ещ ен ы чер н ы е м у х и, им ею щ ие н ач ато ч н ы е кры лья, с н орм альны м и (по М о р г а н у) .

–  –  –

Д л я того чтобы, получить ответы на эти вопросы, рассмотрим опять опыты с мухой дрозофилой .

Эти опыты отличаю тся от описанных выше только тем, что из первого поколения, полученного от скрещ ивания мух b b v v (тем­ ное тело — зачаточные кры лья) с нормальными B B V V, были взя­ ты самки (а не самцы) и скрещ ены с рецессивными самцами (b b vv) .

В потомстве F, таких самок было получено не два, а четыре типа (см. рис. 28). К роме черных мух с зачаточными кры льям и и мух, имеющих нормальны й цвет и нормальные кры л ья, были иолуНеокрашенный складчатый Окрашенный гладкий

–  –  –

чены мухи нормального цвета с зачаточными кры льям и и черные с нормальными кры льям и .

По числу различны х -форм результат к а к будто бы соот­ ветствовал тому, что долж но было бы получиться на основании закона независимого распределения. Однако в таком случае надо было ож идать, что эти четыре типа форм п оявятся в отношении 1 : 1 : 1 : 1. В опыте же мух черных с зачаточными кры льями и нормальны х по обоим признакам получается значительно большее количество — по 41,5%, другие два типа в потомстве гиб­ ридного самца вовсе не появились, а в данном случае их всего 8,5%. П остановка повторных опытов подобного рода п о казал а, что этот р езультат при одних и тех же условиях постановки опыта остается постоянным. Т аким образом, у гибридных самок проис­ ходит наруш ение сцепления, ведущее к появлению новых комби­ наций генов (в данном случае их в опыте 8,5 + 8,5 = 17% ). Э т о т процесс получил в генетике название кроссинговера (что в переводе значит перекрест) и л и обмена генами, т а к к а к п р и э т о м х р о м о с о м ы как буд­ то оомениваются находящимися в них ге­ нами .

Рассмотрим другой опыт (см. рпс. 29), в котором исходные скрещенные формы отличались иной комбинацией тех же генов .

Бы ли скрещ ены мухи нормального цвета с зачаточными кры лья­ ми с мухами, имеющими черный цвет и нормальны е кры л ья. Пос­ ле возвратного скрещ ивания самок первого поколения с рецес­ сивным самцом в их потомстве получились тоже четыре типа мух, к ак и в предыдущем опыте: по 41,5% получилось мух, похожих на исходные формы, а именно мух нормального цвета с зачаточ­ ными кры льям и и черных с длинными кры льям и, другие два но­ вые типа составляли по 8,5% .

Сопоставим эти результаты с данными, полученными в пред­ шествующем опыте: иная комбинация генов у исходных форм ве­ дет к появлению больш ого количества таких же форм. О н и облада­ ют именно этой исходной комбинацией генов .

Кроссинговер у кукурузы. Рассмотрим наруш ения сцепления, изученны е Гетчинсоном у кукурузы (см. рис. 30) .

Б ы ли скрещ ены растения, имеющие гладкие окрашенные се­ мена, с растениями, дающими морщинистые семена. Гладкость семян и о к р а с к а —это доминантные особенности, поэтому в первом поколении были получеиы растения, дающие исключительно ок­ раш енные гладкие семена. Выращенные из этих семян растения скрестили с рецессивными по обоим генам особями (дающими бе­ лые морщинистые семена). В потомстве на початках наблю далось четыре типа семян в следующем количестве: гладкие окраш ен­ ные — 4032; белы# морщинистые — 4035; окраш енные морщи­ нистые — 149; бвй|4в гладкие — 152. Д ругим и словами, тогда как семян исходны# двух типов было 96,4% от всего количества семян, две другие группы семян (появивш иеся в результате крос­ синговера) составили 3,6 %. Р езультат в данном случае совер­ шенно аналогичны й тому, который наблюдался в опытах с дро­ зофилой, с той разницей, что процент наруш ения сцепления меж­ ду соответствующими генами у ку к у р у зы меньше (3,6) .

Степень сцепления различных генов у дрозофилы. Возвратим­ ся к опытам с дрозофилой. Мы видели, что для генов b и у степень сцепления вполне определенная и процент наруш ения этого сцеп­ ления при одних и тех же условиях опыта постоянный. Мы под­ черкиваем условия опыта потому, что есть исследования, которые показы ваю т, что степень сцепления двух данных генов может в значительной степени изм еняться в зависимости от температуры, рентгеновских лучей, возраста самки и т. д. Но интересен другой вопрос: насколько сильно сцеплены между собой другие гены у дрозофилы? У этой мухи нам известно большое количество р аз­ личных генов. О казы вается, что для различны х генов у дрозо­ филы степень сцепления разли чн а, но для каж дого данного соче­ тания генов она вполне определенна. Т ак, наприм ер, ген, опре­ деляю щ ий желты й цвет тела, и ген белоглазости оказали сь сцеп­ ленными сильнее, и наруш ение сцепления наблю далось лиш ь у 1,5% особей, получаемых при возвратном (анализирую щем) скрещ ивании. Н аоборот, тот же ген, обусловливаю щ ий желтый цвет, с геном рудиментарных кры льев оказы ваю тся сцепленными значительно слабее. Н аруш ение сцепления наблю дается в 43% случаев. П олучается результат очень близкий к независимому наследованию (для которого характерно появление 50% особей, несущ их новые комбинации данны х двух пар аллельны х генов) .

Т аким образом, мы видим, что с ц е п л е н и е г е н о в, к о ­ т о р о е о б ъ я с н я е т с я л о к а л и з а ц и е й их в од­ ной хромосоме, является относительным (кроме хромосом самцов дрозофилы, у которы х наблю дается п ол­ ное сцепление). Это сцепление наруш ается в определенном числе случаев для каж дой данной пары неаллельны х генов. В р езу л ь­ тате появляю тся новые комбинации генов в определенном про­ центном отношении к общему числу особей, получаемых при воз­ вратном скрещ ивании .

Если факт сцепления генов П ричина наруш ения сцепления .

объясняется локали зац и ей сцепленных генов в одной хромосоме, то к ак объяснить наруш ение этого сцепления?

Н аиболее вероятным будет предполож ить, что причиной это­ го явл яется о б м е н м е ж д у п а р н ы м и г о м о л о г и ч ­ ными хромосомами гибрида, которые н е с у т р а з л и ч н ы е а л л е л и. Этот обмен можно себе пред­ ставить в виде обмена частями хромосом, чему долж ен предшест­ вовать разры в хромосом в той или иной точке. Цитологические данные указы ваю т на справедливость такой точки зрения. И зве­ стно, что в процессе созревани я половых клеток в профазе мейоза хромосомы видны к а к очень тонкие нити, сближенные попар­ но. П роисходит конъю гация хромосом. В одной из следующих стадий профазы наблю дается тесное прилегание парных хромо­ сом одна к другой. К аж д ая из конъю гирую щ их хромосом удвоена .

Именно на этой стадии и возможен обмен участкам и парных хромосом. Приводимые рисунки показы ваю т, что происходит с хромосомами на этих стадиях (см. рис. 31) .

d e

Рис. 31. Конъюгация хромосом:

две п ар ы хром осом во вр ем я ко н ъ ю га ц и и ; видно о б р а­ 1,2 зо в ан и е х и азм .

Четко видно, что в это время наблюдаются картины перекре­ щ ивания между собой в разны х местах четырех нитей, образую ­ щих бивалент. Эти места перекрещ ивания нитей назы ваю т хиаз­ мами. Они наблю даю тся в мейозе всегда и, по-видимому, удерж и­ вают конъю гировавш ие хромосомы вместе до их расхож дения в анафазе мейоза .

Т. М о р г а н считал, что кроссинговер происходит в р езу л ь­ тате перекреста хромосом и образования хиазм (см. рис. 32) на месте перекреста. Д ругие ученые ( Д а р л и н г т о н ) полагаю т, что кроссинговер происхо­ дит во время параллельной конъю гации хромосом. Н аб ­ I лю даю щ иеся хиазмы я в л я ­ ются следствием кроссинговера. Судя по дальнейш им работам, эта точка зрения явл яется наиболее п р ав и л ь­ ной. У становлено, что кроссинговер про­ исходит тогда, ког­ да конъюгирующие хромосом ы уже двойные, к аж д ая сос­ тоит из двух нитей. Рис. 32. Схема криссишовера .

Впоследствии К. Ш т е р н у удалось цитологически показать, что обмен частями хромосом действительно имеет место .

Схематически можно представить себе этот обмен, или кроссинговер, так, к а к это показано на рисунке 32. Н етрудно видеть, что в результате такого обмена частями хромосом произойдет и обмен соответствующими генами. Конечно, такое объяснение возможно лиш ь в том случае, если считать, что гены располож е­ ны в один ряд и каж дый из них занимает в данной хромосоме опре­ деленное место. Обнаруженная закономерность, выражаю щ аяся в оп­ ределенном проценте кроссинговера между данными двумя генами, показы вает, что так ая точка зрен и я, т. е. признание линейного располож ения генов в хромосомах, п равильн а .

С этой точки зрения совершенно понятно в разобранны х вы­ ше опытах появление кроссоверов, к а к обычно назы ваю т особей, обнаруж иваю щ их перекомбинацию генов в результате кроссин­ говера. В озвращ аясь к ри сун ку 30, мы видим, что у гибрида куку р у зы из первого поколения парные гомологичные хромосомы несут гены, представляю щ ие собой различны е члены двух пар аллелей, тогда к ак одна хромосома несет гены С и S, д р у гая со­ держ ит их рецессивные аллели — с и s. Гены С и с, являю щ иеся членами одной пары аллелей, занимаю т соответственные места в гомологичных хромосомах, которые при конъю гации прилегаю т д руг к другу; то же относится и к другим парам аллелей. Это до­ пущ ение, впервые сделанное М органом, получило в генетике н а­ звание теории тождественных мест. Т аким образом, п ару алле­ лей составляю т гены, не только расположенны е в парны х хромосо­ мах, но и занимающ ие в этих хромосомах тождественные точки .

И так, прн созревании половых клеток у гибрида происходит д еспирализация и конъю гация гомологичных хромосом, одна из ко­ торых несет гены С и S, а д р у гая с и s. Н а стадии пахннемы возни ка­ ют хиазмы. В некоторых случаях разры в конъю гирую щ их хромосом происходит между генами С и S, соответственно такж е между с и s, и разорвавш иеся хромосомы снова соединяю тся, но так, что часть од­ ной из парных хромосом соединяется с частью другой хромосомы .

Обмен частями хромосом при кросспнговере. До сих пор мы рассм атривали такие случаи кроссинговера, когда наблю далось наруш ение сцепления между двум я генами, расположенны ми в одной и той же хромосоме. Может возникнуть вопрос: может быть, имеет место не обмен частями хромосом, к а к это изображ ено на схеме (см. рис. 32), а отдельными генами? В полигибридны х ск р е­ щ и ван иях, когда парные хромосомы гибрида различаю тся боль­ шим количеством генов, кроссинговер происходит в определен­ ной части хромосомы, например между генами С n D (см. рис. 33) .

Сцепление между генами, располож енны ми по одну сторону от места кроссинговера, так же к ак и между генами, располож енны ­ ми по другую его сторону, сохраняется. Это станет более ясным из рассмотрения прилагаемой схемы (см. рис. 33) .

Если кроссинговер про­ А изош ел м еж ду генами С и А Н

–  –  –

Лпнейное расположение генов. Таким образом, явление кроссинговера приводит нас к выводу, весьма сущ ественному для всей современной генетики: гены располож ены в хромосомах линейно. Соответственно этому на определенных стадиях деспнрализованпы е хромосомы (например, в профазе мейоза) представ­ ляют собой тонкие вытянутые нити. В хромосомах гены располоя{ены в определенном порядке. П арные гомологичные хро­ мосомы несут в случае гомозиготности данной особи тождествен­ ные гены, расположенны е в соответствующих точках хромосом .

В случае же гетерозиготности в соответствующих точках парных хромосом располож ены доминантный и рецессивный гены, яв­ ляю щ иеся членами одной и той же пары аллелей. Это объясня­ ется тем, что гены, составляю т пару аллелей (А —а) и серию множественных аллелей (А — а 1 — а- — а3 и т. д.). Это возник­ шее в процессе мутаций изменение гена А. Согласно теории чис­ тоты гамет члены одной пары аллелей не могут находиться в од­ ной и той же хромосоме. Н а основании теории тождественных мест нам ясна причина этого — а л л е л и п р е д с т а в л я ю т с о б о й с о о т в е т с т в е н н ы е у ч а с т к и п а р н ы х го­ мологичных хромосом .

Кроссинговер в различных участках хромосомы. Так как у дро­ зофилы известны четыре сцепленные группы генов, причем три группы сцепления охватываю т значительное количество их, то на основании изучения сцепления между различны ми генами можно сделать вывод, что кроссинговер происходит в самых раз­ личных точках хромосомы между расположенными рядом ге­ нами. Судя по наруш ению сцепления между теми или иными ге­ нами, мы можем заклю чить о наличии кроссинговера в том или ином участке хромосомы .

В настоящее время исследованиями установлено, что г е н ы не являются последней неделимой « е д и-, н и ц е й » н а с л е д с т в е н н о с т и, о чем еще ранее сви­ детельствовало изучение ступенчатых аллелей. К этому вопросу мы вернемся в дальнейш их гл авах. Но все же следует отметить в аж ­ ное открытие: к р о с с и н г о в е р (очень редко) м о ж е т происходить в пределах одного сложного гена .

П роцент кроссинговера и построение плана хромосом. М ежду двум я определенными генами, располож енны ми в одной и той же хромосоме, кроссинговер происходит при одних и тех же усло­ виях опыта в определенном количестве случаев. Т а к, мы уж е знаем, что при изучении кроссинговера между генами b — чер­ ное тело — и v — зачаточные кры л ья — мы получаем 17,9% мух-кроссоверов, тогда к а к между генами белоглазости и ж елто­ го тела наблю дается лиш ь 1% кроссинговера, а между генами ж елтого тела и рудиментарных к р ы л ь е в — 47% кроссинговера .

К а к объяснить эти удивительны е на первый взгл яд ф акты —по­ стоянство процента кроссинговера между определенными двумя генами и весьма различны й процент для различны х комбинаций генов? Это находит вполне удовлетворяю щ ее нас объяснение в сф орм улированной выше теории линейного располож ени я генов .

М орган и Стёртевант приш ли к заключению, что раз гены занима­ ют определенные точки в той или иной хромосоме, то различный ваблюдаемый процент кроссинговера может зависеть от боль­ шего или меньшего расстоян и я между генами .

В самом деле, несомненно, что перекрест может происходить в самых различны х точках хромосомы. Обмен частями хромосом данной пары почти всегда имеет место в той или иной точке хро­ мосомы. Но мы обнаруж иваем кроссинговер в опыте лиш ь тогда, когда обмен происходит между изучаемыми в данном опыте ге­ нами. Вполне вероятно предполож ение, что, чем ближ е располо­ жены в хромосоме по отношению д руг к д ругу какие-либо два гена, тем меньше вероятности, что перекрест в большом числе случаев пройдет между этими двум я генами. Н аоборот, чем д ал ь­ ше отстоят д руг от д руга гены, тем больше будет случаев крос­ синговера между ними. Е сли это так, то по проценту кроссинго­ вера можно судить об относительном расстоянии между генами и о располож ении генов в хромосоме .

Разберем это на конкретном примере. Д опустим, что мы ис­ следуем у дрозофилы три различны е мутации: / — завернуты е кверху кр ы л ья, р — пурпуровы е гл аза и с — гл а за киноварного цвета. И сследуя эти мутации путем постановки соответствующих скрещ иваний, мы без труда обнаруж им, что между этими п ри зн а­ ками обнаруж ивается сцепление. Это указы вает на то, что дан­ ные мутации зависят от генов, локализованны х в одной хро­ мосоме .

Опыты, аналогичны е описанным выше д ля дрозофилы, по­ казы ваю т, что при скрещ ивании гибридных самок с соответст­ вующими рецессивными самцами обнаруж ивается больш ий или меньший п роцент кроссинговера .

сА i или ------- [-------Г + — ^ - 5, Г ''Р с <

–  –  –

Рис. 38. Цитологический и генетический планы 2-й хромосомы дрозофилы (по Д о б ж а н с к о м у) .

Однако было бы неправильно дум ать, что эти исследования позволили определить действительное «расстояние» между гена­ ми. Они дали возможность судить лиш ь об относительном рассто­ янии между генами, линейно расположенными в хромосоме. Од­ нако, как мы увидим, дальнейш ие исследования дали возможность точно судить о расстояниях между генами и о м олекулярной струк­ туре генов .

Бы ло установлено, что благодаря изучению наруш ений струк­ туры хромосом (утери их участков или взаимных обменов участка­ признаков, определяемых указанными генами .

–  –  –

(10 хромосом и 10 rpyuri сцепления)Это отличие между генетической картой и цитологическим планом хромосомы объясняется тем, что к р о с с и н г о в е р происходит в различных участках хромо­ сомы с разной частотой и что с т р у к т у р а самих хромосом влияет на б о л ь ш у ю или меньшую частоту кроссинговера в раз­ личных ее у ч а с т к а х .

Т акого плана и подробной карты хромосом, какую мы имеем для дрозофилы, еще не может быть дано для других объектов, которые исследованы с генетической стороны значительно сла­ бее. О днако, хотя и не в таком полном виде, карты хромосом су­ ществуют для некоторых других видов дрозофил (Drosophila sim ulans), для томатов, д ля кук урузы и др .

Особенно интересные данные получены американскими гене­ тиками ( Э м е р с о н и др.) для кук урузы. У нее 10 пар хромо­ сом, и в настоящ ее время известно около 400 генов, л окали зован ­ ных в 10 хромосомах. И зучение сцепления и кроссинговера дало возможность построить план 10 хромосом кукурузы, который мы и приводим в таблице 2, на стр. 78, 79 .

Параллелизм и локализация генов у близких видов. При и зу­ чении мутаций у различны х близких видов как животны х, так и растений обращ ает на себя внимание появление у них сходных '• мутаций. Иногда это сходство наблю дается даж е у видов, при­ надлеж ащ их к близким, но различны м родам. Известно, что у гры ­ зунов, например у морских свинок, имеются различны е цветные расы: альбиносы, черные, голубые, ры ж ие, горностаевые и др .

Подобные формы, появивш иеся, несомненно, как мутационные изменения, известны такж е и у кроликов .

Подобного же рода параллелизм в появлении мутационных особенностей наблю дается у различны х хлебных зл аков, на что обратил внимание один из крупнейш их советских генетиков Н. И. В а в и л о в. Подобные гомологические ряды, по В ави­ лову, можно наблю дать у различны х видов пшеницы и такж е у ржи и ячменя. Сюда относятся остистые, безостые формы, с крас­ ным, черным и белым колосом, озимые и яровы е формы и т. д .

Н а основании закона о параллелизм е в появлении мутационных изменений можно предсказать появление соответствующих изме­ нений у близкой к данному виду формы .

Изучение различны х видов дрозофил, в частности Drosophila simulans, п оказало, что у нее наблю даю тся мутации, ан алогич­ ные мутациям Dr. melanogaster, например: б ел огл азая, желтое тело, черное тело, рудиментарные кры лья и многие другие .

Но еще интереснее то обстоятельство, что Drosophila simulans имеет то же число хромосом, что и Drosophila melanogaster .

Многие из известных мутации локализованы в хромосомах в том же примерно порядке, что ясно видно на рисунке 40, где даны сравi — - • 1 <

–  –  –

Проблемы определения п ола. Одним из весьма важ ны х и ин­ тересных вопросов биологии явл яется вопрос о том, от чего зави­ сит пол животного или двудомного растения, чем определяется по­ явление самцов или самок. Этот вопрос уже с давних пор и зучал­ ся самым тщательным образом. Т олько с развитием генетики н аука значительно продвинулась в разреш ении этой проблемы .

Конечно, вопрос о том, чем определяется пол, может стоять лиш ь по отношению к раздельнополым организмам. Поэтому в дальнейшем мы будем иметь в виду главны м образом определение пола у животных и отчасти у двудомных растений. Д л я очень многих животных, и к а к раз таких, которые нас больше всего „ин­ тересуют (домашние животные), характерно примерно равное количество рождаю щ ихся особей и муж ского и ж енского пола .

У человека рождается особей мужского пола несколько больше, а именно 51 мальчик на 49 девочек. В общем ж е количество по­ являю щ ихся самцов и самок примерно одинаково. К ак объяснить это равновесие полов, ш ироко наблюдаемое в природе?

Р азли чи я между самцами и самками в животном мире весьма значительны и отнюдь не сводятся только к тому, что представите­ ли разного пола имеют половые ж елезы, продуцирую щ ие разли ч­ ные половые клетки (самки — яйцевые клетки, самцы — сперма­ тозоиды). Конечно, это отличие наиболее сущ ественно, но, по­ мимо различной структуры половых ж елез, самцы и самки разл и ­ чаются еще целым рядом особенностей. Д аж е у тех ж ивотны х, у которы х мы не наблюдаем резко выраженного полового диморфиз­ ма, эти различия очень существенны. Известно, что наблюдаются различия в строении не только половой ж елезы, но проводящ их путей и наруж ны х половых органов. Кроме того, наблюдается целый ряд различий во всей организации животного, в строении скелета (у позвоночных), в физиологических отправлениях орга­ низма .

Еще резче эти разли чи я выступают у многих форм с более резко выраженным половим диморфизмом. У многих птиц, млекопитаю ­ щих и других животных самцы отличаются от самок выраженным за развитием так называемых вторично-половых п ри зн а­ ков. Кому неизвестны та­ кие вторично-половые при­ знаки у ку р, как гребень, бородка у петуха, его го­ лос и пение, шпоры, осо­ бое, отличное от куриного, Рис. 41. Хромосомы самки (2х) и самца оперение? Все это типич­ (х + у) дрозофилы .

ные вторичные половые признаки, называемые так в отличие от основных особенностей в строении органов пола. Т акого рода половой диморфизм представ­ л яет собой явление, ш ироко распространенное в природе в самых различны х классах ж ивотного мира .

Разреш ение вопроса о том, как определяется пол, представляет д ля нас интерес еще и потому, что в связи с определением пола н а­ ходит разреш ение, как это будет видно из дальнейш его, целый ряд важнейш их проблем генетики .

Относительно причин определения п ола сущ ествовало очень много теорий, основанных на самых разнообразны х наблю дениях .

Н о они не всегда оказы вались верными. Мы не будем останавливать внимание на всем этом материале, имеющем лиш ь историческое значение, и перейдем прямо к рассмотрению современного состоя­ ния проблемы и к тем данным, которые получены различными биологическими дисциплинами .

Д а н н ы е ц и то л о ги и по проблем е определения пола. П оловы е хро­ Мы уж е увидели, к ак много дала цитология для понимания м осом ы .

основных законов генетики и вы яснения механизма наследования .

В настоящ ее время разреш ение любой проблемы генетики тесней­ шим образом связано с тем, что дает цитология. П оскольку гены, определяю щие тё или иные наследственные особенности, л окал и ­ зованы в хромосомах, особое значение приобретает изучение про­ цессов, происходящ их в хромосомном аппарате клетки .

О казалось, что половые различия такж е связаны с хромосом­ ным комплексом клеток муж ского и женского организмов. Мы уже знакомы с хромосомным комплексом дрозофилы. О казы вается (см. рис. 41), что в хромосомном комплексе у самца и самки обна­ руж иваю тся некоторые интересные разли чи я. У самки имеются четыре пары хромосом, причем каж д ая п ара состоит из вполне гомологичных и сходных хромосом, у самца дрозофилы одна п ара хромосом обращ ает на себя внимание тем, что хромосомы, состав­ ляю щ ие эту п ару, отличаются но своему внешнему виду (у самки же соответственная п ара представлена совершенно одинаковыми хромосомами). Н а факты подобного рода у различны х животных было обращено внимание уж е очень давно различными исследова­ телями. В озникла мысль: не имеют ли эти хромосомные отличия отношение к определению пола животного? Американский цитолог Э. В и л ь с о н особенно много сделал для установления роли хромосом в определении пола. Ту пару хромосом, которая обна­ руж ивает различия, подобные описанным у дрозофилы, у разных полов, мы называем теперь половыми хромосомами в отличие от остальных хромосом, или аутосом. К аждому животному свойствен определенный тип хромосомного аппарата. Этим типам дают назван ия по тем животным, у которых они были изучены впервые .

Т и п D rosophila по половым хромосомам может быть разделен на три подтипа: первый п о д т и п — Ligaeus (травяной клоп). Цито­ логические различия между полами здесь сводятся к тому, что ж енский пол характери зуется наличием двух гомологичных поло­ вых хромосом, которые называю т Х-хромосомами. В диплоидном наборе самки имеется две Х-хромосомы, тогда к а к у самцов од­ на Х-хромосома, д р у гая ж е, составляю щ ая с ней п ару, более или менее от нее отличается и по величине и по форме и, к ак мы увидим дальш е, отличается и качественно. Эта хромосома п олу­ чила название У-хромосомы .

В настоящ ее время известно, что такие разли чи я в половых хромосомах свойственны очень многим формам, в частности чело­ веку. У человека 46 хромосом (диплоидное число), причем у ж ен­ щин имеются две Х-хромосомы (44 + 2Х ), а в к л етк ах мужчины одна Х-хромосома и д р у гая, очень м ален ькая, Y -хромосома ( 4 4 + XY) (см. рис. 42) .

Второй п о д т и п — Protenor (название рода клопов). И з­ вестны такие случаи, в частности у насекомых, когда Y -хромосома отсутствует в клетках самца, и тогда различия в хромосомном наборе заклю чаю тся в том, что у самки все хромосомы представле

–  –  –

ны парами и имеются две Х-хромосомы, тогда к а к самцы имеют одну непарную Х -хромосому (см. рис. 43) .

Третий п о д т и п — A scaris. У лош адиной аскариды наблю ­ дается следую щ ая картин а: самки имеют две Х-хромосомы, а са­ мец одну, но эти хромосомы не самостоятельны, а прикрепляю т­ ся к аутосомам .

Во всех этих трех подтипах общим, однако, я в л я е т с я наличие у самки двух одинаковых хромосом (гомогаметный пол). Самец же характери зуется наличием одной Х-хромосомы, тогда к ак д р у гая, отличная от нее, Y -хромосома у некоторых форм может отсутство­ вать .

Т и п A braxas. Совершенно противоположное соотноше­ ние в половых хромосомах наблю дается у некоторых других групп ж ивотны х, а именно у бабочек (A braxas grossulariata — кр ы ж о ­ венная пяденица, по имени которой и назы вается этот тип) и у птиц (куры, индюки и др.) .

Рассмотрим д л я примера половые хромосомы у ку р. Д л я ку р П. И. Ж и в а г о было установлено диплоидное число хромосом 78 .

П ри этом у петуха имеются две одинаковые половые хромосомы, или Z-хромосомы, п д р у гая, отличаю щ аяся от них FF-хромосома .

Обозначение Z вместо X и W — вместо Y указы вает на то, что в данном случае одинаковые, парные, половые хромосомы свойст­ венны самцам, а не самкам .

Т еперь перейдем к рассмотрению того, к а к ж е можно предста­ вить себе механизм определения пола при помощи половых х р о ­ мосом, на примере типа дрозофилы. Н ам известно, что при созре­ вании половых клеток происходит редукция хромосом, причем из каж дой пары хромосом в гамете остается одна. Е сли самки имеют две Х-хромосомы, то женские половые клетки после редукции п олу­ чают по одной Х-хромосоме. При созревании гамет самца одни из них будут иметь Х-хромосому, тогда к ак другие получат Y -хро­ мосому, а если ее нет, на одну хромосому меньше. Таким образом, самки образуют гаметы одного типа, тогда к ак сперматозоиды бу­ дут двух типов: с хромосомой X и без нее, но с хромосомой Y .

Т аким образом, самка по отношению к половым хромосомам гомо­ зиготна. Она образует один сорт гамет (гомогаметный пол), тогда к а к самец гетерозиготен и дает два сорта гамет ( гетерогаметный пол). Очевидно, что этим определяю тся и два возможных сочета­ ния гамет при оплодотворении. Если яйцо будет оплодотворено епермием, содержащ им Х-хромосому, тогда в зиготе будет две Х-хромосомы. Этим определяется пол будущей особи — самки .

Н аоборот, если яйцо будет оплодотворено епермием с Y -хромосомой или епермием, не содержащ им Х-хромосомы, то это опре­ делит пол самца. Это ясно видно из схем на рисунке 44 .

Е сли действительно X - и Y -хромосомы половые, тогда, по-видимому, пол потомства долж ен зависеть от того, получится ли в результате оплодотворения сочетание двух Х-хромосом или со­ четание X - и Y -хромосом. П онятно, что в этом случае соотноше­ ние полов долж но быть близко к отношению 1 : 1, так к ак в отно­ шении половых хромосом всякое скрещ ивание, по сущ еству, есть скрещ ивание гомозиготной формы (X X ) с гетерозиготной (XY) .

Согласно приведенной схеме (см. рис. 44) самка всегда долж на получить одну Х-хромосому от отца и одну Х -хромосому от ма­ тери. Самец ж е единственную у него Х-хромосому всегда получит от матери, а Y -хромосому от отца .

У птиц и у бабочек определение пола происходит аналогично, с той лиш ь разницей, что гомозиготным по половым хромосомам (гомогаметным) явл яется муж ской пол. Н аследование пола и здесь ‘ можно представить себе в виде схемы, данной на рисунке 45 .

Мысль о том, что хромосомы имеют отношение к оп­ ределению пола, была вы сказана впервые М а к -К л е н г о м, и развита известным цитологом Э. В и л ь с о н о м еще в 1906 г .

Дальнейш ие цитологические исследования еще больше укрепили

–  –  –

Рис. 44. Схема определения Рис. 45. Схема определения пола у животных типа D ro­ пола у животных типа Abraxas .

sophila .

эту точку зрения. Однако эти заклю чения были сделаны только на основании того, что в к л е т к а х р а з л и ч н ы х п о л о в н а ­ б л ю д а е т с я н е с х о д с т в о в о д н о й п а р е х р о м о с о м. Но выдвинутая цитологами теория о том, что п о л о п р е д е л я ­ ется половыми хромосомами, наш ла блестящее подтверждение в работе генетиков. Особенно много содействовали изучению данной проблемы работы М о р г а н а и его сотруд­ ников с мухой дрозофилой, а затем и ряда других исследователей .

С ц е п л е н н о е с п о л о м н а с л е д о в а н и е. Среди большого количества известных мутаций у дрозофилы оказалось довольно много таких, наследование которы х оказалось различным в зависимости от того, самец или сам ка несли при скрещ ивании данное мутационное и з­ менение. В этих случаях обнаруж ивалось зависимое от пола н а­ следование той или иной особенности .

Эти сл у ч аи г к ак мы увидим дальш е, к ак н ельзя лучш е п оказы ­ вают св язь определения пола с наличием того или иного сочетания половых хромосом .

Рассмотрим д л я примера результат скрещ ивания мухи дрозо­ филы, имеющей белые гл аза (w), с норм альной красн оглазой му­ хой (W ). Согласно менделевским законам, скрещ ивание красн о­ глазой самки с белоглазы м самцом и реципрокное (обратное) ск ре­ щ ивание белоглазой самки с красноглазы м самцом долж ны были бы дать одинаковые результаты. Однако на самом деле результаты этих двух скрещ иваний оказываю тся различными .

П ри скрещ ивании красн оглазой самки с белоглазы м самцом (см. рис. 46) в F i получаются, как и следовало ожидать, все му­ хи — и самцы и самки — красноглазые, вследствие того что нормальный аллель W доминирует над геном белоглазости w .

Во втором поколении такж е на первый взгл яд получается ре­ зультат, соответствующий закону М енделя, т.е. наблю дается рас­ щепление в отношении: на 3 красноглазы х мухи 1 белогла­ зая. Однако при этом оказы вается, что белоглазы е получаю тся только самцы (см. рис. 46) .

Но при скрещ ивании реципрокном, т. е. при скрещ ивании бело­ глазой самки с красноглазы м самцом (см. рис. 47), результат получа­ ется совершенно иной, а именно в первом поколении ( F потом­ ство оказы вается неоднородным — все самки красноглазы е, а все самцы белоглазы е. Н аблю дается, таким образом, наследование крест-накрест: все самцы похожи на мать, а все самки на отца .

Во втором поколении получается рёзультат, такж е не соответст­ вующий ожидаемому: получаю тся самки и белоглазы е, и красн о­ глазы е, а самцы тоже двух типов — с белыми и красными глазам и в одинаковом количестве .

Описанные результаты опытов показы ваю т, что наследование белоглазости находится в какой-то зависимости от иола. Этот признак не первично- и не вторичнополовой и п роявляется одина­ ково и у самцов, и у самок. Данный своеобразный тип наследования 0(7

–  –  –

нием все дочери первого поколения в таком случае получат одну Х-хромосому от матери (в данном случае с геном W ) и одну Х -хромосому от отца (с геном w). Очевидно, что все дочери долж ны быть красноглазы е вследствие доминирования нормального аллеля W .

Т акж е и сыновья должны в этом опыте иметь красны е глаза, по­ тому что единственную Х-хромосому они получат от матери, а она несет ген W красноглазости (см. рис. 46) .

Во втором поколении все самки долж ны быть красноглазы м и, так к ак они все получат от отца одну Х -хромосому с доминантным геном W. Но половина самцов долж на быть с белыми глазам и, так как единственную Х-хромосому они получат от матери, а мать в этом отношении гетерозиготна .

Т аким образом, мы видим, что допущение локали зац и и гена и его нормального аллеля в Х-хромосомах дает возможность пре­ красно объяснить результат, получаю щ ийся в опытах .

П роанализируем теперь результат, получаю щ ийся от реципрокного скрещ ивания, т. е. от скрещ ивания белоглазой самки и красноглазого самца (см. ри с.47). Б ел о гл азая самка долж на иметь в обеих Х-хромосомах рецессивный ген и, красн оглазы й самец в Х-хромосоме — доминантный ген W .

Р ассуж дая таким же образом, к ак при анализе предш ествую­ щего опыта, мы неизбежно долж ны прийти к заключению, что в таком случае в F t все сам ки долж ны быть красн оглазы м и, а сам ­ цы белоглазы м и, т. е. долж но иметь место д ействительно п олу­ чающееся в опыте наследование крест-накрест. Ведь все самки в первом поколении долж ны одну Х-хромосому получить от отца, а эта хромосома несет доминантный ген W\ все самцы получаю т Х-хромосому только от матери, а мать в обеих Х-хромосомах не­ сет рецессивный ген w. Т акж е понятно без дальнейш их поясне­ ний из прилагаемой схемы (см. рис. 47), что во втором поколений долж ны получиться красноглазы е и белоглазые самцы и самки в одинаковом количестве .

Этот анализ реципрокных скрещ иваний показы вает, что если данной особенностью (в данном случае белые глаза) обладает са­ мец, то эта особенность передается через дочерей внукам м уж ско­ го пола. Д алее, замечательно, что самец никогда не бывает гетеро­ зиготен по гену W. Е сли он имеет красные гл аза, то, значит, он не несет рецессивного гена w. Самки же могут быть гетерозиготны по этому г е н у. Все это убеждает нас в том, что ген w и его нор­ мальный аллель W локализованы в Х-хромосомах и что Y -хром о­ сома самца не может нести ни одного из аллелей этого гена. С другой стороны, закономерности наследования сцепленного с полом признака «белые глаза» подтверждаю т, что именно сочета­ ние половых хромосом играет решающую роль в определении пола. Данные генетического эксперимента подтверждают ген и аль­ ную гипотезу цитологов о роли половых хромосом в определении пола .

Случай сцепленного с полом наследования белых глаз далеко не единственный у дрозофилы. Известно несколько десятков генов у дрозофилы, которые локализованы в Х-хромосоме и наследова­ ние которых происходит по такому же типу сцепленной с полом наследственности. Н а генетической карте хромосом дрозофилы половые (X) хромосомы обозначаются под № 1, и, посмотрев на план хромосом, мы видим, что в Х-хромосоме локализовано боль­ шое количество генов, образующих первую группу сцепления и в то же время сцепленных с полом. В настоящ ее время генетика располагает еще большим количеством данны х, на важнейш их из которых мы остановим внимание в дальнейшем. Но уж е р а ­ зобранных случаев сцепленного с полом наследования достаточно, чтобы признать гипотезу М ак-К ленга и Вильсона о значении половых хромосом доказанной .

И так, с ц е п л е н н ы м и с п о л о м м ы в д а л ь н е й ­ шем б у д е м н а з ы в а т ь т а к и е гены, к о т о р ы е л о к а л и з о в а н ы в о с о б о й п а р е х р о м о с о м, оп­ р е д е л я ю щ и х пол, и л и в п о л о в ы х х р о м о с о м а х. Обращаем внимание на то, что эти гены не являю тся гена­ ми, влияющими на какие-либо половые или вторично-половые признаки. Т ак, белые гл аза могут быть и у самцов и у самок, то же касается и других сцепленных с полом генов дрозофилы, например генов: полосковидные гл аза, желтое тело. Эти гены не влияю т на половые признаки мухи, но они локализованы в половых хро­ мосомах (Х-хромосомах) .

Интересно, что и у человека (по цитологическим данным ж ен­ щина имеет две Х-хромосомы, а мужчина X - и Y -хромосомы) и з­ вестны случаи сцепленного с полом наследования некоторых осо­ бенностей, несомненно, мутационного происхож дения .

Аномалия зрения — цветная слепота, или дальтонизм, гораздо чаще встречается у муж чин и передается по наследству от отца к внуку через дочь. У ж е одно это показы вает, что здесь имеет место сцепленное с полом наследование, т. е. что ген дальтонизма (рецессивный) локализован в Х-хромосоме. То же самое имеет место и в случае другой аномалии — гемофилии, которая заклю ­ чается в отсутствии способности крови сверты ваться. В самом деле, если представить себе брак между мужчиной-гемофиликом и нормальной здоровой женщиной и если допустить, что ген гемо­ филии локализован в Х-хромосоме мужчины, то в потомстве д олж ­ на наблю даться картин а, изображ енная на рисунке 48, т. е. все дети окаж утся здоровыми потому, что сы новья единственную Х-хромосому получаю т от здоровой матери, а дочери, хотя и п олу­ чат от отца Х-хромосому с геном гемофилии, но они получат так ­ ж е другую Х-хромосому от матери с доминантным геном — нор­ мальным аллелем гена гемофилии. Поэтому дочери будут здоровы, но они в то ж е время будут носительницами гена гемофилии .

П редположим дальш е, что так ая ж енщ ина — носительница гена гемофилии выйдет зам уж за здорового муж чину. Тогда их потомство долж но быть следующее: дочери нормальные и носи­ тельницы гемофилии, а сыновья поровну здоровые и больные гемофилией, потому что половина сыновей неизбежно получит от матери-носительницы Х-хромосому с рецессивным геном гемофилии (см. рис. 48). Н а рисунке-схеме 49 приведен другой возможный (но редкий) случай б рака женщ ины-носительницы гемофилии с мужчиной-гемофиликом. Только в этом случае возможно было бы появление в потомстве дочерей, больных гемофилией (см. рис. 49) .

И зучение родословных семей, в которы х наблю дались больные гемофилией, показы вает, что в действительности наследование

–  –  –

Рис. 49. Схема наследования гемофилии при браке женщиныносительницы с мужчиной-гемофиликом .

Рис. 50. Таблица, показывающая родословную наследования гемофилии у человека. Гемофилия обозначена черными значками .

этой аномалии происходит именно таким образом, по типу сцеплен­ ной с полом наследственности (см. рис. 50) .

Подобную же картин у мы наблюдаем и при наследовании д а л ь ­ тонизма, что изображ ено на прилагаемой схеме (см. рис. 51) .

И з всего излож енного м атериала, касаю щ егося сцепленного с полом наследования, таким образом, с несомненностью вытекает, что у организмов типа дрозофилы, у которы х ж енский пол х а р а к ­ теризуется двумя Х-хромосомами в диплоидном ком плексе, а муж ской пол одной Х-хромосомой и часто еще наличием Y -xpoмосомы, пол определяется сочетанием половых хромосом .

Выше, при обсуждении цитологических данны х, уж е было отмечено, что у целого ряда организмов, а именно у птиц и у б а­ бочек, гетерозиготными по половым хромосомам (гетерогаметными) являю тся самки, имеющие одну Z-хромосому, и другую W -хромосому, тогда к ак самцы этих форм гомогаметны и характери

–  –  –

cf Полосать/е Рис, 53. Схема сцепленного с полом наследования доми­ нантной полосатости у кур {скрещивание, реципрокное изображенному на рис. 52) (по К р у) .

зую тся наличием двух Z-хромосом. У различны х животных, при­ надлеж ащ их к этому типу (тип A braxas), такж е изучено много случаев наследования, сцепленного с полом, блестящ е подтверж­ дающих те закономерности наследования, которые предсказаны на основе цитологических данных .

Много случаев сцепленного с полом наследования признаков известно у кур. Целый ряд характерны х особенностей различных пород ку р наследуется сцепленно с полом, например характерны й рисунок пера, состоящий из чередующихся темных и светлых по­ лос, свойственный известной породе плимутрок. Т акая полосатая окраска явл яется доминантной по отношению к сплошной черной или коричневой. Сцепленно с полом наследуется такж е окраска ног (зеленая, ж елтая), светло-ж елтая окраска оперения (доми­ нантный п ризн ак), золотистая и серебристая окраска оперения и некоторые другие признаки .

Рассмотрим случай сцепленного с полом наследования у кур на примере скрещ ивания полосатых особей (плимутрок) с неполо­ сатыми (например, черные лангш аны или минорки). На рисунке 52 показана схема скрещ ивания полосатого петуха с черной непо­ лосатой курочкой. Н а первый взгляд и в первом и во втором поко­ лении наблю дается типичный менделевский результат: доминиро­ вание полосатости в первом поколении и расщ епление в отноше­ нии 3 : 1 во втором. Р азличие в том, что во втором поколении черные формы (*/4) исключительно самки, а все самцы полосатые .

Е сли сравнить рисунок 52 с рисунком 46, то мы сразу устано­ вим сходство наследования полосатой окраски у ку р с наследова­ нием белоглазости у дрозофилы при скрещ ивании красноглазой самки дрозофилы с белоглазым самцом. В скрещ ивании дрозофилы белоглазы е формы в F % были исклю чительно самцы; у к у р одна четверть черных исклю чительно самки. У дрозофилы рецессивная особенность передается от деда к внуку, у ку р ж е —от бабуш ки к внучке. Это находится, конечно, в прямом соответствии с тем, что у к у р гетерогаметными являю тся самки. П риведенная на рисун­ ке 52 схема распределения хромосом при этом скрещ ивании у ку р достаточно ясно показы вает, каким образом получается такой результат. Все дело в том, что куры -самки свою единственную Z-хромосому получаю т обязательно от отца, тогда как петухи одну Z-хромосому получают от отца, другую от матери .

Еще более интересно реципрокное скрещ ивание черного пету­ ха с полосатой курицей. В этом случае в первом поколении наб­ лю дается наследование крест-накрест и F t состоит из полосатых петухов и черных к у р. В F 2 появляю тся в равном количе­ стве черные и полосатые петухи и куры (сравни с рис. 47, изо­ бражаю щим аналогичное скрещ ивание дрозофилы). А нализ, по­ мещенный на рисунке 53 схемы распределения половых хромосом, не оставляет сомнений о сцепленном с полом наследовании. Из всего рассмотренного достаточно очевидна роль Z -хромосом (или Рис. 54.

Схема первичного перасхождения X -хромосомы при скрещивании дрозофилы:

сам к и, и м ею щ ей б е л ы е г л а з а, с к р а с н о г л а зы м сам цом (по Б р и д ж е с у) .

Z-хромосом в случае мужской гомогаметностп) в определении по­ ла. Но в связи с этим возникает целый ряд вопросов, на которые необходимо найти ответы .

Очевидно, что Х-хромосомы, играющие такую большую роль в определении пола, кроме того, содерж ат самые различные гены, влияющие на другие особенности организма. У гомогаметного пола Х-хромосомы парны, тогда как у гетерогаметного пола реже сущ ествует только одна Х-хромосома, а чаще парная ей, но отличаю щ аяся от нее Y-хромосома. В озникает вопрос: какова роль Y-хромосомы в определении пола? Д ругими словами, определя­ ется ли гетерогаметный пол наличием одной Х-хромосомы или комбинации XY (у тех организмов, у которых есть Y-хромосома)?

Мы ничего не говорили о генах в Y-хромосоме и, обсуждая воп­ рос о сцепленной с полом наследственности, полагали, что Y -хро­ мосома не содержит генов, аллеломорфных генам Х-хромосомы .

Это следует из результатов скрещ иваний при сцепленном с полом наследовании. Что же представляет собой Y-хромосома, и л о ка­ лизованы ли в ней какие-либо гены?

Н аконец, к ак известно из главы о сцеплении, между парными хромосомами происходит наруш ение сцепления — обмен участ­ ками хромосом (кроссинговер). По этому поводу следует теперь же вспомнить, что у самцов дрозофилы кроссинговер вообще не наблю дается не только между X - и Y-хромосомами, но и между аутосомами. Подобная же картин а наблю дается и у самки туто­ вого ш елкопряда. П ричина этого еще до сих пор неясна. С нашей точкизрения, такж е требует выяснения вопрос о том, какм ож но объ­ яснить наличие кроссинговера между X - и Y -хромосомами (а мы увидим, что такие случаи описаны), если Х-хромосома как опреде­ ляю щ ая пол качественно отличается от Y-хромосомы. Н аличие кроссинговера привело бы неизбежно к их идентичности, чего на самом деле не наблю дается, да и не может быть, так к а к тогда нель­ зя было бы говорить об определяющей роли половых хромосом .

Д альш е мы разберем экспериментальные данные, проливающие свет на поставленный вопрос .

П е р в и ч н о е и в т о р и ч н о е н е р а с х о ж д е н и е п о л о в ы х х р о м о с о м. Д ля выяснения роли половых хромосом в определении пола представ­ ляю т особый интерес открытые Б р и д ж е с о м случаи так назы ­ ваемого нерасхождения (non disjunction) .

Я вление нерасхож дения было открыто при скрещ ивании самок дрозофилы, имеющих ярко-красны е гл аза, с нормальными к р а с­ ноглазыми самцами. Я ркие глаза — рецессивная мутация гена V в Х-хромосоме. Она вы раж ается в изменении цвета гл аза из темно-красного в очень ярк и й. Таким образом, эта мутация долж на наследоваться сцепленно с полом. Согласно тому что мы знаем о сцепленном с полом наследовании, при скрещ ивании самки с нор­ мальным красноглазы м самцом в F, долж ны получиться все сам­ ки с нормальными глазам и (они одну Х -хромосому получат от ма­ тери, а другую от отца). Д ругими словами, долж ен получиться результат, аналогичный тому, что получается при скрещ ивании белоглазой самки с красноглазы м самцом (см. рис. 47) .

Однако в опытах Бридж еса н аряду с нормальными сам­ кам и и яркоглазы м и самцами было получено некоторое количество уклоняю щ ихся форм — самки с ярким и глазам и и нормальные самцы .

П оявление самок с ярким и глазам и можно объяснить только тем, что самки не одну, а две Х-хромосомы получили от матери .

Цитологическое исследование таких исключительных самок по­ к азал о, что они имеют две Х-хромосомы и еще Y -хромосому. Если бы одну из Х-хромосом они получили от отца, то эта хромосома долж на была бы содерж ать нормальны й аллель гена V и глаза у этих самок долж ны были быть нормальные. Значит, обе хромосомы получены ими от матери .

~ \t J1 p J tr

–  –  –

получатся яй ц а с Х-хромосомой и с X + Y-хромосомами. Н а ри­ сунке 57 показаны все возможные комбинации, возникаю щ ие в результате такого скрещ ивания .

Эти данные о первичном и вторичном нерасхождении половых хромосом имеют решающее значение в вопросе о хромосомном оп­ ределении пола. Посмотрим, каки е важнейш ие выводы можно сде­ лать на основании этих экспериментальных данных .

1. Обращ ает на себя внимание замечательное соответствие в наследовании сцепленных с полом сри зн аков, с одной стороны, и распределении половых хромосом — с другой .

2. Определяющими Желтая с двойной X Нормален пол у дрозофилы яв­ ляются Х-хромосомы. Для развития женского пола необ­ ходимо не менее двух Х-хромосом. Сверхсамки, имеющие три Х-хромосомы, явля­ ются также самками .

Наличие Y -хромосомы при двух Х-хро- мосомах не меняет дела, такие формы — типичные самки .

Пеги6. Двойная *елт .

Норпапьн. Погиб .

3. Мужской пол Гис. 58. Схема скрещивания самки из линии со определяется у дрозо­ сцепленными Х-хромосомами, несущими гены филы меньшим коли­ желтого цвета тела ( y e l l o w ), и имеющей, кроме чеством Х-хромосом тою, У-хромосому, с нормальным самцом (по М о р г а н у ). (одна Х-хромосома) .

Формы, имеющие од­ ну Х-хромосому, лишенные Y -хромосомы, по своей организации типичные самцы, хотя и бесплодные .

4. Формы, лишенные Х-хромосом получившие толькои Y -хромосому, нежизнеспособны .

Таким образом, Y -хромосома не участвует у дрозофилы в определении пола, но ее наличие у самца необхо­ димо, так как лишенные Y -хромосо­ мы самцы оказываются бесплодными .

Спайка Х-хромосом. При скрещи­ вании самок, имеющих желтое тело (у), с нормальными самцами следует ожидать в F i наследования крестнакрест, т. е. должны получиться нормальные самки и желтые самцы, потому что ген y e l l o w рецессивен и локализован в Х-хромосоме .

Однако были обнаружены противо­ положные результаты, а именно в F j были получены желтые самки и нор­ мальные самцы, причем такая линия оказалась стойкой. Можно разводить этих мух из поколения в поколение, Рис. 59. Гинандроморф у дроимея в культуре всегда желтых са- зофилы. Л о в а я (мужская) '.. половипа желтая, п р а в а я п мок и нормальных самцов. Окааа- (женская) половипа темная лось, что в данном случае исходные (по М о р г а н у) .

желтые самки имели две X-хромосомы, спаянные своими проксимальными концами. Кроме того, они имели Y -хромосому, что было установлено СВерхсапка Триплоидная Сверлсапец цитологически. Поэто­ му в результате скре­ щ ивания таких самок с нормальными самцами долж ны получиться ком­ бинации, изображенные Сапец Интерсекс Сапка на прилагаемом рисунк е 58. Рис. 60. Схематическое изображение комп­ лексов хромосом у различных аномальных В настоящ ее время форм дрозофилы по сравнению с самцом .

известно, что п р и р е ­ дукционном де­ Н а ри сун ке п о к а за н а зависим ость пола от соот­ нош ения между числом ДГ-хромосом и числом лении бывает аутосом .

нерасхождение н е т о л ь к о половых хромосом, но и л ю б о й п а р ы аутосом, что приводит в результате либо к наличию лишней третьей хромосомы для к а к о й-л и б о пары аутосом, либо к от­ сутствию одной из парных а у т о с о м. К ак мы увидим в дальнейш ем, эти ненормальности в распределении хромосом при редукционном делении известны такж е у человека, что приводит часто к очень тяж елы м заболеваниям (см. гла­ ву V II) .

Гинаидроморфы. Иногда появляю тся формы, поражаю щ ие тем, что одна часть тела по всем признакам яв л яется мужской, тогда как д ругая — ж енская. У дрозофилы были получены мухи, у ко­ торых одна половина тела отличалась всеми признаками самки, другая — всеми признаками самца (см. рис. 59). Такие формы н а­ зывают гинандроморфами .

Происхождение гинандроморфных особей объясняется следую­ щим образом. Гинандроморф дрозофилы развивается из гаметы, имеющей набор хромосом самки, т. е. из оплодотворенного яйца, имеющего две Х-хромосомы. При первом делении оплодотворен­ ного яйца на две клетки, когда удвоивш иеся Х-хромосомы рас­ ходятся в анафазе митоза, одна из них отстает и утрачивается при делении клетки. В результате один бластомер получает две Х -хромосомы, другой только одну. Таким образом объясняется появ­ ление симметричных гинандроморфов, у которых одна половина тела ж енская, а д р у гая м уж ская. Но можно представить себе, что утрата Х-хромосомы произойдет на более поздней стадии эм­ брионального развития; тогда мужскими признаками будет отли­ чаться не половина, а меньший участок тела .

Интерсексы у дрозофилы. Интерсексами или интерсексуаль­ ными особями называют особого рода аномалии в развитии приз­ наков пола. Интерсексы не имеют нормально развитых и муж ­ ских и женских признаков, что наблюдается у естественных гермафродитов, и не разделены на правую и левую половины, имеющие одна мужской, д ругая ж енский характер, как у рассмот­ ренных выше гинандроморфов. У интерсексов и первичные и вто­ ричные половые признаки имеют в различной степени промежуточ­ ный характер, причем одни признаки могут быть ближе к мужским, другие ближе к женским. Возможны самые различные степени ин­ терсексуальности, так что иногда наблю дается непрерывный ряд переходов от нормальной самки к нормальному самцу через раз­ личные степени интерсексуальности .

Особенно хорошо было изучено явление интерсексуальности Б р и д ж е с о м у дрозофилы и Р. Г о л ь д ш м и т о м у бабоч­ ки непарного ш елкопряда. Эти работы имеют очень большое зна­ чение для понимания проблемы определения пола .

Н аблю дая появление интерсексуальных форм в культурах дрозофилы, Бридж ес приш ел к убеждению, что интерсексы дро­ зофилы отличаю тся от нормальных самок или самцов иным соот­ ношением числа Х-хромосом и числа аутосом. Н орм альн ая самка дрозофилы имеет две Х-хромосомы и шесть аутосом. Н ормальны й самец имеет одну Х -хромосому на те ж е шесть аутосом. И нтерсек­ сы, согласно Б ри дж есу, долж ны иметь две Х-хромосомы не на 8, а на 9 аутосом, что может быть результатом нерасхож дения ау ­ тосом при расхождении Х-хромосом во время редукционного деления .

Цитологическое исследование интерсексуальных особей дро­ зофилы подтвердило правильность такого взгл яд а. О казалось, что интерсексы дрозофилы действительно имеют две Х-хромосомы и 9, а иногда 8 аутосом. В последнем случае не хватает самой малень­ кой из аутосом (4-я пара) .

Т аким образом, оказалось, что н о р м а л ь н о е разви­ тие того или иного пола у дрозофилы находится в з а в и с и м о с т и не п р о с т о о т ко­ личества Х- х р о м о с о м, а от соотношения между числом Х- х р о м о с о м и а у т о с о м.

Если сравним эти отношения у нормальны х самцов и самок и у всех известных аномальных особей, то получим в результате следую­ щие данные:

Сверхсамка ЗХ -|- 6А—соотношение 1 Нормальная самка 1 2Х -f- 6 А—соотношение Интерсекс 1 4,5 2Х -}- 9А—соотношение Нормальный самец 1X — 6А—соотношение [- 1 6 Сверхсамец IX -)- 9А—соотношение 1 9 Хромосомные комплексы различны х форм приведены на рисунке 60. Уже ранее Р.Гольдшмитом было вы сказа­ но предположение, что Х-хромосома долж на содерж ать у дрозофилы факторы женского пола и что развитие п ри зн а­ ков муж ского пола не зависит от Х -хромосомы, так что вов­ се лиш енные Х-хромосомы особи долж ны быть самцами .

Приведенные данные об интерсексах у дрозофилы, повидимому, подтверждают правильность такой точки зрения.

Н а основании этих фактов можно считать уста­ новленным, что:

1. Определение мужского Рис. 61. Различная окраска самцов или женского пола у дрозо­ Libistes reticulatus (uo П а т а л и) .

филы зависит не только от наличия одной или двух Х -хромосом, но от всего ком плекса хромосом в целом. Определя­ ющим явл яется отношение между половыми хромосомами и аутосомами (вернее, между действием генов пола, локализованны х в Х-хромосоме, и аутосомных генов) .

2. У дрозофилы развитие признаков муж ского пола зависит от аутосомного ком плекса. По-видимому, аутосомы содерж ат какие-то факторы, влияю щ ие на развитие признаков самца. Х-хромосома в определении муж ского пола участия не принимает .

3. В нормальном хромосомном комплексе самца дрозофилы (IX + 6А) одной Х-хромосомы, заключаю щ ей факторы женского пола, недостаточно, поэтому развиваю тся нормальные признаки самца. У нормальной самки на то ж е число аутосом имеются две Х-хромосомы и под влиянием ж енских факторов пола развиваю тся самки .

4. Интерсексы у дрозофилы появляю тся вследствие увеличения числа аутосом в результате нерасхож дения при неизмененном числе Х-хромосом. В результате интерсексы обладают факторами ж ен­ ского пола, содерж ащ имися в двух Х -хромосомах, но сила дейст­ вия этих факторов недостаточна, чтобы нормально развился ж ен­ ский пол. В то же время эта сила слишком велика, чтобы под влиянием аутосомного ком плекса развились признаки муж ского пола .

Y -хромосома и ее значение. При рассмотрении проблемы определения пола, ан али зи руя соответствующие эксперименталь­ ные данные, мы не раз обращ али внимание па интересное обстоя­ тельство, что, по-видимому, Y -хромосома (или И^-хромосома у типа Abraxas) не участвует в определении пола и, вероятно, не содержит генов, влияю щ их на пол животного. В самом деле, при­ сутствие Y-хромосомы при наличии двух Х-хромосом никакого влияния на развитие пола у дрозофилы не оказы вает. Мухи X X Y — типичные самки. С лучай гинандроморфизма показы вает, что раз­ витие муж ских признаков у дрозофилы такж е не связано с Y-xpoмосомой .

В настоящ ее время нет данных, на основании которых можно было бы утверж дать, что Y -хромосома имеет какое-либо значение у дрозофилы в определении пола, кроме того, что она, яв л я я сь партнером Х-хромосомы у самцов, обусловливает наличие двух типов спермпев .

Y-хромосома обращ ает на себя наше внимание еще и с другой стороны. Мы видим, что в Х-хромосоме локализованы гены, вл и я­ ющие на развитие разнообразных признаков, и это объясняет наличие сцепленного с полом наследования. А нализируя случаи сцепленного с полом наследования, мы все время имеем дело с таким положением, что Y -хромосома не содерж ит генов, ал л ел ь­ ных генам, локализованны м в Х-хромосоме. Обычно Y-хромосому считают «пустой» или во всяком случае неактивной. У дрозофилы не только не наблю дается кроссинговера между X - и Y -хромосомой, но у самца кроссинговер не происходит и между аутосомами, будто наличие Y-хромосомы явл яется препятствием для обмена участками хромосом во всем хромосомном комплексе. П равда, у других форм кроссинговер происходит у обоих полов, но воз­ можность кроссинговера между Y- и Х-хромосомой маловероятна .

Однако имеется целый ряд данных экспериментального характе­ ра, позволяю щ их несколько ближе выяснить природу Y -хромо­ сомы .

Прежде всего, у дрозофилы Y-хромосому н ельзя считать полно­ стью «пустой», но, несомненно, она почти не содержит генов, являю ­ щ ихся нормальными аллелям и к известным нам многочисленным генам Х-хромосомы. Ш терн показал, что в средней части Y-xpoмосомы локализован нормальный аллель к гену bobbed, вызываю­ щему развитие укороченных щетинок у дрозофилы. Кроме того, мы уже отмечали выше, что самцы, получающ иеся при нерасхож дении, имеющие Х-хромосому, но не получивш ие Y -хромосомы, бесплодны. По-видимому, Y -хромосома содерж ит гены, обуслов­ ливающие плодовитость самцов. Однако у других животных уда­ лось обнаруж ить наличие в Y -хромосоме довольно большого ко ­ личества геном, с одной стороны, и наличие перекреста (кроссинговера) между X- и Y -хромосомамн — с другой. Речь идет о ра­ ботах Ш м и д т а, В и и г е, П а т а л п и др. с ж ивородящ ей рыбкой Lebisles и другой рыбкой Aplocheilus .

Рис. 62. Схема наследования генов, локализованных в X - и К-хромосомах, у Lebistes reticulatusn кроссинговера между X -и У-хромосомами (по В и н г е) .

Шмидт, Винге и Н атали работали с ж ивородящ ей рыбкой L ebistes reticulatus, разводимой обычно в аквариум ах любителей и известной под названием гуппи. Эта рыбка пред­ ставляет большой интерес для биолога резко выраженным поло­ вым диморфизмом .

Более крупные серенькие самки не несут красочны х п ри зн а­ ков, тогда к а к самцы окраш ены очень пестро и имеют на теле и плавниках полосы и пятна различной величины и цвета (см. рис. 62) .

Бы ло установлено, что эти красочные признаки самцов насле­ дуются по типу сцепленного с полом наследования и передаются от отца через дочерей внуку, причем проявляю тся они только у самцов. Эти красочные признаки самцов зависят от генов, л о ка­ лизованны х в Х -хромосомах. Д ругие красочные признаки пе­ редаются только по муж ской линии от отца к сыну и т. д., и сам­ ки никогда не бывают носителями соответствующих генов. Вин­ ге назвал это явление односторонней мужской наследственностью и сделал вывод, что гены, от которых зависит развитие этих п риз­ наков, локализованы в Y -хромосоме самца .

Д алее было установлено, что некоторые из этих генов могут быть локализованы к ак в Х-хромосоме, так и в Y -хромосоме, вслед­ ствие происходящ его между этими хромосомами кроссинговера .

Рисунок 62 иллю стрирует один из опытов Винге .

Дальнейш ие работы Винге, Н атали и других показали, что у L ebistes сущ ествует довольно большое количество генов, кото­ рые наследую тся действительно так, как будто бы они локали зо­ ваны в Y-хромосоме. Однако гены эти могут быть связаны и с Х-хромосомой, т. е. происходит к ак бы кроссинговер между X - и Y -хромосомой .

Можно, однако, такж е допустить, что у Lebistes X - и Y -хромосомы оказываю тся спаянными с той или иной парой аутосом. в которой и локализованы соответствующие гены. Тогда кроссинВ в е р х у — н о р м а л ь н ы й п ет у х и к у р и ц а и т а л ь я н с к о й п о роды. Р с е р е д и ­ н е — к а с тр и р о в а н н ы й п е т у х и к а с т р и р о в а н н а я к у р и ц а. В н и з у — к а с т р и р о ­ ван н ы й п етух п о сл е и м п л а н та ц и и ем у я и ч н и к а в ку р и н о м н а р я д е и к а с тр и р о ­ ва н н а я к у р и ц а п осле и м п л а н та ц и и ей с ем ен н и к а, п о л у ч и в ш а я все п етуш и ны е п р и зн а к и (п о М. 3 а в а д о в с к о м у) .

говер в сущности происходит между аутосомными частями слож ­ ных хромосом, что генетически трудно отличить от наличия кроссинговера между X - и Y-хромосомами. Эта мысль была вы сказана Морганом. Наши работы с Lebistes подтверждают эту точку зрения .

И зложенные выше данные об определении пола и происхож ­ дении интерсексов у дрозофилы привели к выводу, что в опреде­ лении пола главную роль играет соотношение между Х -хромосомами и аутосомами. Y -хромосома на развитие пола и вторичных половых признаков не влияет, она обеспечивает лиш ь подвижность спермиев. Однако оказалось, что у человека дело обстоит не так .

И зучение хромосомных комплексов людей п оказало, что д л я р аз­ вития признаков муж ского пола необходимо наличие Y -хромосомы .

Е сли в результате нерасхож дения в гамету Y -хромосома не попадает и образуется при оплодотворении зигота Х О, то это будет не мальчик, а девочка. Таким образом Y -хромосома у че­ ловека, видимо, несет гены муж ского пола .

П а р т е н о г е н е з и о п р е д е л е н и е п ола. У многих растений и ж ивот­ ных известно партеногенетическое развитие яй ц еклеток, которое у животных чаще всего связан о со сменой поколений. Т ак, у низ­ ших ракообразны х, у тлей наблю дается смена обычного и партеногенетического разм нож ения. В этих сл у ч аях у соответствующих видов в процессе эволюции вы работались механизмы, регулирую ­ щие поведение хромосом. Т ак, у разм нож аю щ ихся партеногенетически самок тлей выпадает редукционное деление, что обеспе­ чивает диплоидность их дочерей. У пчел трутни развиваю тся из неоплодотворенных (гаплоидных) яиц. Гаплоидность сохраняется в соматических кл етках трутней, и при созревании спермиев ре­ дукции хромосом не происходит .

В связи с проблемой определения и наследования пола очень большой интерес с теоретической и с практической стороны пред­ ставляю т замечательные исследования, проведенные Б. JI. А с т ау р о в ы м. Б. JI. А стауров вы звал у самок ш елкопряда выпадение редукционного деления и добился партеногенетического разви тия таких диплоидных яи ц в целом ряде поколений, сохра­ нив таким образом ценные качества гибридных самок .

Н аконец, А стаурову удалось такж е добиться развития яй ц е­ клеток ш елкопряда, собственное ядро которых было убито лучами Рентгена, при их оплодотворении спермиями другой расы ш елко­ п ряд а. Я йца разви вались только за счет яд р а спермин (андрогенез), при этом наследовались только отцовские признаки .

Опыты А стаурова представляю т большой интерес, поскольку они убедительно доказы ваю т правильность хромосомной теории наследственности. Разработанны е им приемы использую тся в практике ш елководства .

Развитие в онтогенезе того или иного п ризн ака, определяемого генотипом особи, находится в большей или меньшей степени в за­ висимости от внешних и внутренних факторов среды. Напомним, что наследуется не определенное выражение п ризн ака, а норма реакции (см. главу V II). Это обстоятельство следует иметь в виду и при изучении наследования и развития пола. Особенно четко это п роявляется у ж ивотны х, обладающих резко выраженным поло­ вым диморфизмом и развитием вторично-половых признаков (оперение, голос и т. д.). В этом отношении большой интерес представляю т работы М. М. З а в а д о в с к о г о с курами .

Опыты в основном заклю чались в кастрации и пересадке по­ ловых ж елез. Р езультаты этих опытов дают ясную картин у в л и ян и я половых гормонов на развитие вторично-половых приз­ н аков. К астрации подвергались цы плята до разви тия у них этих п р и зн ак о в. Рисунок 63 дает представление о результатах опытов с петухами и курам и итальянской породы .

К астрированны й петух теряет целый ряд петушиных призн а­ ков: голос, гребень, который развивается даж е меньше, чем у ку ­ рицы, инстинкт; но несмотря на кастрацию, у него развивается петушиное оперение и шпоры. Если такому кастрату петуху снова имплантировать семенник, взяты й у другого петуха, он восстанавливает утраченные признаки .

У кастрированной курицы наблюдается еще более интересный результат. У нее развивается вместо куриного оперения оперение петуха (со всеми характерны ми особенностями петушиного опере­ ния данной породы), появляю тся шпоры. В общем кастрирован­ ные ку р и ц а и петух оказываю тся чрезвычайно похожими друг на друга .

Д альнейш ие опыты заклю чались в том, что таким кастри ро­ ванным животным пересаж ивали половые ж елезы противополож ­ ного пола: кастрату петуху — яичник, кастрату курочке — се­ менник. К астрированны й петух с пересаженным ему яичником после линьки приобретает куриное оперение, характерное для его породы; кастри рованн ая ж е куроч ка после пересадки ей семен­ ника приобретает остальные петушиные признаки: голос, гребень, бородку, осанку и инстинкт петуха. Подобные ж е опыты были произведены М. М. Завадовским и с млекопитающ ими. В тех сл у ч аях, когда имеется более или менее выраж енный половой диморфизм, кастр ац и я ведет к тому, что у кастрированного самца развиваю тся покровы самки. По сравнению с птицами, и в частности с курам и, наблюдаются в данном случае обратные отношения .

К этим и другим экспериментам по превращ ению пола следует добавить несколько слов о большом количестве случаев превращ е­ ния полов домашних ж ивотны х, в частности ку р, не под влиянием кастрации и пересадки, а вследствие других причин .

Некоторые из этих случаев описаны и исследованы подробно .

Т ак, К р у описывает случай, когда кури ц а породы орпингтонбуфф в возрасте 3V2 лет перестала нестись, затем у нее стал уве­ личиваться гребень, сереж ки и шпоры; после линьки она приоб­ рела петушиное оперение. К весне кури ц а эта стала кричать попетушиному и преследовать кур. Самое замечательное, что у этой особи, по-видимому, развились сперматозоиды и способность к оплодотворению. Причиной такой значительной передифферепцировки пола было разруш ение яи ч ника вследствие его заболе­ вания туберкулезом. К ак на месте разруш енного яи чни ка, так и на противоположной стороне произош ло развитие ткани семен­ ника .

С точки зрения разбираемой нами проблемы определения и р аз­ вития признаков пола все рассмотренные данные представляю т интерес в том отношении, что у организмов, у которых имеет место хромосомное генотипическое определение пола, развитие призн а­ ков пола находится под влиянием эндокринной деятельности по­ ловых ж елез. Экспериментальное (кастрация и пересадка) или патологическое наруш ение работы этих ж елез может привести к полной передифференцировке. Особь, генотипически определив­ ш аяся как самка, фенотипически становится самцом, и наоборот .

С генетической точки зрения важ но, что у кастрированной к у ­ рицы с пересаженным семенником развиваю тся петушиные приз­ наки своей породы вне зависимости от того, от петуха какой породы был взят трансплантированны й семенник .

И для других позвоночных животных можно п рин ять вы ска­ занное выше полож ение, что к аж д ая особь обладает наследствен­ ными задатками для развития признаков и муж ского и женского пола. Тогда возникает вопрос: к ак связать этот вывод с наличием у этих форм генотипического определения пола?

Раньш е мы приш ли к заключению, что пол определяется при оплодотворении сочетанием половых хромосом .

Н адо полагать, что в х р о м о с о м а х, к ак это было сформу­ лировано выше, л о к а л и з о в а н ы гены того или и н о г о п о л а. При гетерогаметности самцов (млекопитающие, человек) наличие двух Х-хромосом определяет ж енский пол, а наличие одной Х-хромосомы и Y -хромосомы — муж ской. Н адо п олагать, что гены пола определяют возможность развития м уж ­ ской или ж енской половой ж елезы. Таким образом, ж енская по­ л овая ж елеза развивается потому, что дан ная зигота получила хромосомный набор самки, а семенник потому, что зигота имела хромосомный набор самца,

РАЗВИТИЕ ХРОМОСОМНОЙ ТЕО РИИ

НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

–  –  –

Р азличны е типы м утац ий. Э ксперим ентальны й м у та ге н е з .

Н ачиная с первого десятилетия X X в. до настоящ его времени по­ лучено и изучено огромное количество наследственных измене­ ний — мутаций. Много различны х мутаций исследовано у дрозо­ филы и других животных и растений и, что особенно важ но, у мик­ роорганизмов — грибов, бактерий и вирусов .

Следует иметь в виду, что, помимо естественно возникаю щ их мутаций, изучено очень много мутаций, полученных эксперимен­ тально под влиянием различны х внешних мутагенных факторов:

рентгеновского, других ионизирую щ их и ультрафиолетового и з­ лучений, а такж е самых различны х химических воздействий .

П од термином «мутации» о б ъ е д и н я ю т нас­ ледственные изменения весьма различ­ ного х а р а к т е р а.

Н а основе природы тех изменений хро­ мосом, которые являю тся причиной того или иного изменения ге­ нотипа, различаю т следующие категории мутаций:

1. Генные мутацци (их называю т еще трансгенациям и). К ак по­ казы вает само название,.генные мутации в своей основе имеют и з­ менения того или иного отдельного гена. Подобные мутации часто называю т такж е «точковыми», поскольку в экспериментах трудно бывает отличить мутации отдельных генов от микроаберраций, затрагиваю щ их небольшие участки хромосом, которые трудно выявить при цитологическом анализе .

2. Перестройки хромосом. Изменения участков хромосом связаны не с мутированием отдельных генов, а с более грубым и з­ менением структуры отдельных хромосом .

3. Полиплоидные и гетероплоидные мутации, в основе которых леж ит изменение числа хромосом (его увеличение или уменьшение) .

Можно выделить еще одну группу мутаций, но уж е по другому принципу. Н уж н о различать соматические и почковые мутации — любые изменения генотипического характера, но происходящ ие не в гаметах, а в той или иной клетке тела на различны х стадиях онтогенеза. В этом случае измененным оказывается не весь ор­ ганизм, а лиш ь часть его, непосредственно происходящ ая от и з­ мененной клетки. Соматические мутации могут быть любой при­ роды: это или изменения генов, или хромосомные перестройки, но поскольку подобные изменения происходят лиш ь в соматичес­ ких клетках и потому не всегда передаются потомству, мы вы­ деляем их для удобства рассмотрения в особую группу .

Доказательство наличия изменчивости генов и разработка ме­ тодов искусственного получения мутаций — одно из важнейш их достижений современной генетики .

Ранее мы у к а за л и на целый ряд работ, в которы х было установ­ лено, что многие гены могут давать не одно мутационное изменение, а р яд таких изменений, о б разуя множественные аллели .

Д л я объяснения явлен и я множественного аллелизм а большое значение имело изучение рядом советских ученых еще в 30-х годах явлен и я ступенчатого аллелизма. А. С. С е р е б р о в с к и м, Н. П. Д у б и н и н ы м и другим и была разработана цен­ тровая теория строения гена. Д альнейш ие исследования подт­ вердили не только правильность многих выводов теории ступен­ чатых аллелей, но и полное соответствие их с открытым на мо­ лекулярном уровне строением гена .

Н а основании изучения в лаборатории А. С. С е р е б р о в с к о г о серии аллелей гена achaete-scute, располож енного в Х -хром осоме и влияю щ его на развитие щ етинок у мухи дрозофилы, авторы приш ли к заклю чению о сложном строении гена, о том, что ген состоит из большего или меньшего количества участков, или цент­ ров. Бы ло предлож ено ген в целом назы вать базигеном, а те или иные участки гена — трансгенами. П оявление ряд а аллелей гена а — sc объясняется тем, что мутирую т "различные участки этого сложного гена, охватывающ ие большее или меньшее количество центров, влияю щ их на развитие отдельных щ етинок .

К огда же и на какой стадии разви ти я организм а происходит обычно изменение генов? Оно может произойти в любой клетке тела, на любой стадии разви тия организма .

Е сли произош ло изменение какого-либо участка хромосомы, то оно будет передаваться при редупликации хромосом всем клет­ к а м —потомкам той клетки, в которой произош ла мутация. М ута­ ц ия, происш едш ая в клетке, дающей начало половым клеткам, попадает в гамету, а затем в зиготу. К а к возникш ие мутации могут быть обнаруж ены в потомстве, если принять во внимание, что по­ давляю щ ее большинство мутаций рецессивно?

Представим себе, что некоторый ген А мутировал в а, т. е .

произош ла рецессивная мутация. П оскольку мутации не так ча­ сты, то скорее всего гамета с геном а при оплодотворении соеди­ нится с гаметой, имеющей нормальны й аллель — А. Т акую му­ тацию вследствие ее рецессивного характера у организм а, разви в­ шегося из зиготы А а, мы не обнаруж им. Само собой разум еется, что только тогда, когда произойдет скрещ ивание двух форм гете­ розиготных по данному гену (т. е. А а с А а), в потомстве будет обнаруж ена дан ная мутация. Доминантные же мутации обнару­ ж иваю тся ср азу, в том же поколении .

В связи с этим следует сказать несколько слов о частоте появ­ ления мутаций. П онятно, что вопрос этот не так легко разреш ить, поскольку мутации в силу их рецессивности могут долгое время оставаться в скрытом состоянии. Поэтому, когда приводятся дан­ ные, что у дрозофилы обычно обнаруж иваю т в среднем одну му­ тацию на 10 ООО выведенных мух, эти данные еще не говорят об истинной частоте мутирования. Поэтому для вы явления частоты возникаю щ их мутаций приш лось разработать специальные методы .

Бриджесом Х ром осом ны е пе ре стр о йки (а б е р р а ц и и ) .

были откры ты й описаны наследственные изменения, связанны е не с мутированием отдельного гена, а с изменениями более глубокого хар актер а, охватывающими целый участок хромосомы .

В дальнейш ем такие изменения были изучены и с генетической, и с цитологической стороны целым рядом ученых .

В настоящ ее время метод изучения перестроек хромосом, возни­ кающих под действием излучений и химических мутагенных факто­ ров, широко применяется в работах генетиков. Ц итологический анализ семян, подвергнутых облучению, позволяет судить, н а­ пример, о радиочувствительности данного растения. По изучению количества перестроек хромосом, возникш их в роговице глаза мыши, можно судить о том, какую дозу излучения она получила .

Разработаны цитологические методы, позволяю щ ие легко и зу­ чить перестройки хромосом непосредственно под микроскопом .

Однако вначале они были обнаружены генетическими методами .

Т ак, например, были впервые обнаруж ены случаи выпадения участков хромосом по утере нормальны х доминантных аллелей, локализованны х в определенной хромосоме. Это обычно касается нескольких генов, которые долж ны быть располож ены рядом, в одной хромосоме .

Т акой случай был обнаруж ен Бридж есом при скрещ ивании дро­ зофилы. Им были взяты самеи с белыми узким и, в виде полоски, В г /

–  –  –

глазам и и сам ка, имеющая красны е гл аза нормальной округлой формы. Развитие узки х (полосковых) глаз определяется доминант­ ным мутантным геном (Ваг), обозначаемым буквой В. Его норм аль­ ный аллель можно соответственно обозначить Ъ. Гены b и В рас­ положены в Х-хромосоме, так же к а к и ген w (белые глаза) и его нормальный ал л ел ь W : Поэтому результат скрещ ивания долж ен был бы соответствовать схеме, данной на рисунке 64, т. е. в F i дол­ жны получиться самки все красноглазы е с полосковыми глазам и, так к а к ген В доминантен, а самки одну из Х-хромосом получаю т от отца. Все самцы будут красноглазы е с нормальными, не полос­ ковыми, глазам и, так к ак единственную Х-хромосому они полу­ чают от матери. Ф актически такой результат и был получен, за исключением одной самки, у которой были нормальны е, Не полос­ ковые, гл аза, т. е. ген В к а к будто исчез. В ы яснилось, что не про­ явл яет своего действия у этой самки не только ген В, но и неко­ торые рядом располож енны е гены, т. е. целый участок хромосомы стал неактивным (см. рис. 65) .

Подобных случаев в настоящ ее время известно довольно много и с другими хромосомами. О бъяснить их можно было или и накти ­ вацией участка хромосомы, т. е. тем, что некоторый отрезок с це­ лым рядом генов перешел в неактивное состояние и гены не прояв­ ляю т своего действия, тогда к ак по обе стороны от этого участка хромосомы гены остаются активными, или тем, что этот участок хромосомы просто выпал. В дальнейшем цитологические иссле­ дования показали, что второе объяснение правильно: действи­ тельно, в подобных случаях наблю дается выпадение участка хромосомы, несущего соответствующие доминантные гены .

Рис. GG. Перестройки в хромосомах дрозофилы:

1 — сх ем а д ел ен и и в п р ав о й х ром осом е у ч а с т к а с ген ам и Ь и с; 2 — д е л е ­ н и я в е р х н его к у с к а той ж е х р ом осом ы с ген ам и о, Ь и с; з — и н в е р с и я п е р е в е р т ы в ан и е у ч а с т к а с ген ам и h, g и / .

Первые исследования, в которых цитологически было обнару­ жено явное укорочение хромосомы, были сделаны цитологом П айнтером и генетиком Меллером .

Открытое Бридж есом явление получило название недостаточ­ ности {deficiency). В русской литературе часто употребляется тер­ мин «нехватка» .

Часто в тех случаях, когда выпавший участок достаточно ве­ лик, укорочение хромосомы устанавливаю т цитологически, прп

<

I

с ек хромосом—это так назы ­ ваемые транслокации, или Рис. 67. Схема взаимной транслокации .

обмены (см. рис. 67). Гене­

Обмен у ч а с т к ам и го м о л о ги ч н ы х хром осом :

тически, т.е. путем ан али за с л е в а — д о т р а н с л о к а ц и и, с п р а в а — п о сл е .

скрещ иваний, было обнаруж ено, что участок какой-либо хромосо­ мы у дрозофилы, например третьей хромосомы, отделился от нее и оказался связанны м с другой хромосомой (см. рис. 68) .

Ц и то л о ги ч еск и бы ло у стан о в л ен о, что это д ей ств и тел ьн о та к (с м. р и с. 6 8 ) .

В настоящее время можно считать установленным, что, как правило, т р а н с л о к а ц и и бывают взаимными .

Н апример, если участок 2-й хромосомы оказался прикрепленным к 1-й хромосоме, одновременно участок 1-й хромосомы присоеди­ нился к оставш ейся части 2-й хромосомы, т. е. произош ел обмен частями между негомологичными хромосомами .

Особый интерес представляю т такие случаи, когда какойлибо участок хромосомы с целым рядом генов оказы вается пере­ вернутым на 180°. Тогда эти гены будут располож ены в этом участке в обратном порядке. Т акое явление носит название инвер­ сии, а хромосома, в которой произош ла инверсия, — инверти­ рованной (см. рис. 66). Эти случаи представляю т большой интерес как д л я изучения конъю гации хромосом у особей, гетерозигот­ ных по инверсии, так й д л я изучения значения полож ения генов в хромосоме. Больш ое количество различны х перестроек хромо­ сом получено у дрозофилы под действием рентгеновских лучей .

После того к а к в двадцаты х годах нашего столетия было обна­ руж ено, что под действием лучей Рентгена можно получать много мутаций (см. ниж е), ионизирую щ ие излучения стали ш ироко ис­ пользоваться генетиками во всех лаборатори ях мира. О казалось, что рентгеновские лучи, а такж е и другие виды ионизирующих и зл у­ чений — прекрасны й м икрохирургический инструмент. Они дают возможность производить на хромосомах очень тонкие «операции,

–  –  –

Рс 7. Се ао ыа Ше н, д ка ыа щгоо мп ч ся и х о оо и. 0 х м п т т р а о л в ю е о е ат м р мс м при кроссниговере .

D п р у ж к а х — хром осом н ы е к о м п л е к сы (по Ш т е р н у) .

ц а (1933), показавш его, что генетически инертные части хро­ мосомы при применении специальной методики опраш иваю тся иначе, чем генетически активные. Он назвал эти участки гетерохро­ матическими .

П рименяя специальные методы, Гейтц установил, что у дрозо­ филы во II и II I хромосомах у изгиба хромосомы, т. е. у места прикрепления нити веретена (центромеры), имеются небольшие гетерохроматические участки, а Х-хромосома имеет значительный гетерохроматический участок .

Т аким образом, данные Гейтца вполне подтвердили данные М еллера и д ругих, полученные на основании изучения трансло­ каций. Интересно, что Y -хромосома, которая, к а к известно, гене­ тически почти пустая, по Гейтцу окраш ивается сплош ь интенсив­ но, так же как окраш иваю тся генетически инертные гетерохрома­ тические участки других хромосом .

Цитологические доказательства кроссинговера. Получение и изучение транслокаций дали возможность окончательно реш ить одну чрезвычайно важ ную проблему генетики, а именно цитоло­ гически д оказать, что кроссинговер действительно связан с обме­ ном соответствующими участками гомологичных хромосом. К рос­ синговер был в свое время открыт в генетическом эксперименте, когда в потомстве от возвратного скрещ ивания дигетерозиготы с рецессивом вместо полного сцепления обнаруж ивалось некоторое количество особей кроссоверных, у которых гены оказы вались сцеп­ ленными иначе, чем у исходных форм. Цитологическое изучение стадий, предшествующ их редукции, привело к обнаружению хиазм .

В связи с этим слож илось мнение о том, что хиазмы — либо при­ чина, либо результат кроссинговера .

В дальнейш ем К рейтону, М ак-К линток, Ш терну, Б ри н к у и Куперу удалось цитологически д оказать наличие действительного обмена частями хромосом при кроссинговере .

Е сли обе гомологичные хромосомы морфологически совершен­ но одинаковы, то в таком случае нет никакой возможности цито­ логически установить наличие обмена участками между ними .

Поэтому учеными была использована возможность получения та­ ких форм, у которых соответствующие гомологичные хромосомы морфологически отличались одна от другой .

Ш терн, “работая с дрозофилой, в результате скрещ ивания двух линий с двум я различны ми транслокациям и в половых хромосомах получил линию, у которой самки имели своеобразную хромосом­ ную структуру. Аутосомы (II и II I) были нормальными, IV хро­ мосома к ак будто в единственном числе (см. рис. 70). Х-хромосомы вследствие транслокаций были представлены тремя элемен­ тами: одна Х-хромосома имела прикрепивш ийся к ней участок Y-хромосомы и потому выглядела двуплечей, а другая Х-хромо­ сома состояла из двух отдельных половинок—половина этой хро­ мосомы была транслоцнрована на IV хромосому (чем и объясРс 7. Хо о о ыкл то с юн з жл з д оо и ы и. 1 р мс м е к л ныс е е р з фл .

Вверху справа ( А ) х р о м о со м ы о о го н и е в в том ж е у в е л и ч е н и и (.по П а няется отсутствие партнера у IV хромосомы — он соединен с од­ ной из половинок Х-хромосомы). Э т и самки были гетерозиготны по доминантному гену В аг (имели полосковые глаза) и по рецес­ сивному гену сг (carnation — гл аза цвета гвоздики), к ак это по­ казано на рисунке 70 (самки Р) .

О постановке опыта и полученных результатах ясное пред­ ставление дает прилагаем ая схема (см. рис. 70) .

Подопытных самок скрещ ивали с самцом, имевшим в Х-хромосоме рецессивный ген сг (самцы с глазам и цвета гвоздики) .

Рядом с изображ ениям и мух на рисунке 70 даны схемы их хромо­ сомных комплексов. П ри полном сцеплении, согласно известной нам схеме распределения половых хромосом, при таком скрещ ива­ нии все дочери получаю т одну Х-хромосому от матери, а другую от отца. Д очери долж ны иметь одну нормальную целую Х-хромо­ сому (от отца) и другую от матери, которая может состоять или из двух половинок, или двуплечую, с участком Y -хромосомы. По фенотипу они долж ны быть, к ак это нетрудно проследить по при­ лагаемой схеме, одни с полосковыми глазам и цвета гвоздики, дру­ гие с нормальными глазам и .

Однако в опыте получились самки еще двух типов: с глазам и цвета гвоздики, но нормальной формы ( + В) и с полосковыми красными глазам и. П оявление этих самок легко объясняется кроссинговером между Х-хромосомами, причем кроссинговер произош ел между генами сг и В (см. схему кроссинговера на ри­ сунке 70). Н о если кроссинговер произош ел именно в этом участ­ ке и если при кроссинговере хромосомы обменивались своими час­ тям и, то в результате в одни кроссоверные гаметы долж на попасть ц ел ая палочковидная Х-хромосома, а в другие Х-хромосома, со­ стоящ ая из двух частей, причем одна из этих частей долж на нести участок Y -хромосомы .

Е сли бы так ая структура хромосом была обнаруж ена цитоло­ гически у кроссоверных самок, то это наглядно д оказало бы н а­ личие обмена участкам и хромосом при кроссинговере. В этом опы­ те, к а к и в ряде д ругих аналогичны х, цитологические исследова­ н ия, произведенные Ш терном, п оказали, что налицо изменение структуры Х-хромосом, ожидаемое, согласно генетическим дан­ ным, в результате кроссинговера .

Открытие П айнтера и структура хромосом. И з излож енного выше ясно, какое большое значение имела совместная работа ге­ нетиков и цитологов д л я разви тия хромосомной теории наслед­ ственности. Подобные исследования, с одной стороны, подтверди­ ли правильность основных полож ений генетики (линейное распо­ ложение генов, кроссинговер и д р.), с другой стороны, эти работы дали возможность строить в дальнейшем хромосомную теорию на строго материальной основе .

Среди работ 30-х годов особенное значение имели работы аме­ риканского исследователя Т. П а й н т е р а, посвященные цито­ логическому изучению гигантских хромосом клеток слюнных ж е­ личинок дрозофилы. Первое сообщение П айнтера о его зам е­ лез чательном откры тии появилось в 1933 г., затем последовал целый ряд его работ (1934, 1935), а такж е работ многих других исследо­ вателей, применивш их метод П айнтера к разреш ению важ ней­ ших проблем генетики .

В чем же заклю чается это открытие, всколы хнувш ее ш ирокие круги генетиков?

Уже более полвека н азад было обнаруж ено ( Б а л ь б и ан и, 1883 г., JI е й д и г, 1885 г.), что в гигантских яд рах клеток слюнных ж елез личинок комара хирономуса леж ат клубки хоро­ шо заметных нитей, имеющих поперечную исчерченность. Однако это своеобразное строение хромосом в таких гигантских клетках долго не использовалось д л я изучения структуры хромосом .

Пайнтер обратил внимание, что у личинок дрозофилы ядра слюнных ж елез такж е чрезвычайно крупны и имеют структуру, аналогичную структуре ядер слюнных ж елез личинок хироном уса .

Пайнтер разработал в основном очень простую методику, по­ ставив себе цель разобраться в клубке хромосомных нитей этих ядер .

Методика П айнтера заклю чается в следующем. Б ерут к р у п ­ ных личинок дрозофилы (выползающ их пз корма для о ку к л и в а­ ния) и препарирую т слюнную ж елезу. О тпрепарированную слю н­ ную ж елезу помещают в каплю ацетокармина (раствор карм ина в уксусной кислоте) на предметном стекле, в котором они окраш и ­ ваю тся в течение 10—15 мин. Затем каплю по удалении лиш ней краски покрываю т покровным стеклом (краску отсасывают филь­ тровальной бумагой). Все это проделываю т очень быстро. Затем необходимо раздавить ядра так, чтобы запутанны е в клубок х р о ­ мосомы распластались. Д л я этой цели на покровное стекло надо довольно сильно надавить тупой иглой или концом скал ьп ел я, но так, чтобы не сдвинуть с места покровное стекло. П репарат кон­ тролирую т под микроскопом. Если п реп арат раздавлен хорошо, то вместо клубков на нем видны распластанны е хромосомы, об­ разую щ ие своеобразную картину (см. рис. 71) .

Чтобы сохранить на некоторое время препарат, необходимо кр ая покровного стекла залить парафином. П репарат годен для исследования 3 —4 дня. (В настоящ ее время разработана методика длительного сохранения препаратов.) Т еперь обратимся к фактам, установленным Пайнтером при изучении подобных препаратов слюнных ж елез дрозофилы .

О казалось, что клубок в ядре состоит из определенного кол и ­ чества гигантских хромосом .

К ак видно из прилагаем ого ри сун ка (см. рис. 71), эти хромо­ сомы во много р аз превыш ают размеры хромосом в метафазе делящ ихся клеток яичника дрозофилы. По измерениям П айнтера, они в 110 р аз длиннее соответствующих метафазных хромосом .

л асш т аё 5И----

–  –  –

Рис. 78. Цитогенетический план прапого плеча III хромосомы (по П а й н т е р у) .

порядке, в каком они помещены на генетическом плане (кроссо* верном). Но относительные расстояния между ними оказываются иными. Н а генетическом плане в определенных местах гены рас­ положены очень густо, в частности на левом конце хромосомы .

Оказывается, что в действительности гены расположены в хромо­ соме более равномерно. Поскольку генетический план разработан на основании учета процента кроссинговера, то наблюдаемое различие в планах легко объяснить тем, что кроссинговер про­ исходит в разных участках хромосомы с различной частотой .

Выше мы ссылались на данные работ П айнтера и Меллера (1932), согласно которым Х-хромосома имеет довольно значи­ тельный генетически инертный участок. В Х-хромосоме из клетки слюнной железы этого участка нет. Почти в самом крайнем п унк­ те правого конца располож ен ген bb. Таким образом,в ядрах клеток слюнных ж елез инертная часть хромосомы, по-видимо­ му, ничтожно мала и сливается с хромоцентром. В полном соответствии с этим обстоятельством в ядрах клеток слюнных ж е­ лез дрозофилы такж е в хромоцентре имеется небольшой участок, соответствующий Y -хромосоме, которая почти полностью (по дан­ ным Гейтца) состоит из генетически инертного материала .

В последующих своих работах (1935) Пайнтер приводит не­ которые данные о расположении генов во II и II I хромосомах .

И для этих хромосом обнаруж ивается то же, а именно гены рас­ положены в них более равномерно, чем на генетическом плане .

Н а рисунке 78 мы даем изображение (по Пайнтеру) правого пле­ ча II I хромосомы. Особенно резко приш лось сместить вправо локусы генов, расположенных в проксимальном участке этого плеча, т. е. ближе к центромере (месту прикрепления тянущ ей нити веретена), где находятся генетически инертные участки хро­ мосомы. Здесь кроссинговер в значительной мере затруднен .

Т аким образом, о т к р ы т и е Пайнтера дало воз­ можность исследовать тончайшую струк­ туру х р о м о с о м, а использование анализа хромосом слюн­ ных ж елез повлекло за собой целый ряд весьма плодотворных ис­ следований. В настоящее время изучают активность разны х участ­ ков гигантских хромосом в процессе развития личинки (см. гл. V II) .

Мутации в числе хромосом. Полиплоиды и гетероплоиды .

Этот тип мутаций связан с еще более заметными цитологичес­ кими изменениями в хромосомных комплексах, а именно с изме­ нением числа хромосом — уменьшением или увеличением по ср а в ­ нению с нормальным хромосомным комплексом данного вида .

Н аиболее частыми случаями при этом являю тся изменения, касаю щ иеся всего комплекса хромосом. Н ормально мы имеем дело с диплоидными формами, т. е. с формами, характеризую щ имися наличием двух геномов. В рассматриваемых нами случаях изме­ нения каса ю тся увеличения или ум еньш ения числа ге н о м о в. По­ лучаю тся ф орм ы, им ею щ ие по 3, 4 и больш е хром осом ка ж д о й пары,

–  –  –

видов овса (см. рис. 83). Т ак, наприм ер, у одного вида овса дипло­ идное число — 14, у другого — 28, у третьего — 42 .

Это обстоятельство заставляет предполагать, что увеличе­ ние хромосомных комплексов играет некоторую роль в процес­ се видообразования в природе. В связи с этим следует отметить, что очень многие культурны е формы растений, как декоративных, так и плодово-ягодных, представляю т собой возникш ие в разное время полиплоидные формы. Экспериментальное получение тетраплоидных и триплоидных форм у культурны х растений — один из перспективных методов в селекционной работе .

Особенно легко стало получать полиплоидные формы после того, как в 30-х годах было показано, что алкалоид колхицин задерж ивает образование клеточного веретена в митозе. В ре­ зультате удвоившиеся хромосомы остаются в одной клетке .

А. Р. Ж е б р а к, действуя колхицином, получил ряд полипло­ идных форм пшеницы. В. В. С а х а р о в, применяя для полу­ чения полиплоидных мутаций колхицин, получил полиплоидные формы гречихи. Она отличалась более крупными размерами, неполегаемостыо и более крупными зернами. Д ругие ученые—селек­ ционеры (в СССР А. Н. Л утков с сотрудниками) получили триплоидные формы сахарной свеклы, обладающие повышенным содержанием сахара (на 15 и более процентов) .

Соматические мутации. Этот тип мутаций отличается от всех до сих пор рассмотренных нами тем, что изменения обна­ руж иваю тся не и гаплоидной половой клетке, а в тех или иных клетках зародыша на различны х стадиях его развития .

Это могут быть и генные м ута­ ции, и изменения типа хромосом­ ных аберраций. Отличие заклю ­ чается в том, что изменение про­ исходит в соматической клетке, в диплоидном комплексе хромо­ сом, что определяет и особеннос­ ти этого рода мутаций. П онятно, что, если генная мутация про­ изойдет в диплоидной клетке, невозможно рассчиты вать, что она коснется и другого ал л ел я, а потому так ая мутация будет заметна только в том случае, если она доминантна. Е сли ис­ ходная форма гетерозиготна по данному гену, тогда может п ро­ явиться рецессивная мутация (см. рис. 84) .

Но изменения этого рода затронут не весь организм, а Рис. 84. Соматическая мутация лиш ь тот участок, который р а з­ у дрозофилы .

вился И З эмбриональной клетки, На рИсунке изображен г л а з м у х и сб о ку ;

в которой произош ла мутация. ч а с т ь глаза б е л а я .

В результате получаю тся свое­ образные формы мозаичного строения органа или организма .

И зучать соматические мутации стало легче с тех пор, когда от изучения мутаций, появляю щ ихся в естественных услови ях, переш ли к исследованию влияния различны х внешних факторов на мутационный процесс .

Э ксперим ентал ьное получение м утац ий под влиянием облуче­ До сих пор мы почти не касались вопроса о причинах, вы­ ния .

зывающих появление мутаций. П ервоначально изучение мутаций почти целиком основывалось на изучении естественно возникаю­ щих изменений в обычных условиях, и долгое время попытки как-либо влиять на мутационный процесс не давали результатов .

В настоящ ее время мы располагаем большим фактическим ма­ териалом, дающим возможность значительно ближе подойти к пониманию мутационного процесса. Рядом исследований многих ученых установлено, что различны е внешние факторы вызы­ вают появление мутаций .

В нашей стране впервые было доказано Г. А. Н а д с о н о м и Г. С. Ф и л и п п о в ы м (1925 г.), что под влиянием радио­ активных излучений у грибов возникаю т наследственные измене­ ния — мутации .

В 1927 г. появилась весьма убедительная работа ам ерикан­ ского генетика М е л л е р а о влиянии рентгеновских лучей на мутационный процесс у дрозофилы. Эти исследования открыли целую эпоху в изучении мутаций, и в настоящее время опублико­ вано уже огромное количество работ по экспериментальному по­ лучению мутаций под влиянием самых разнообразных внешних воздействий .

Д л я того чтобы изучить влияние внешних факторов на му­ тационный процесс, необходимо подвергать воздействию этого внешнего фактора половые клетки. Нам известно, что подавляю ­ щее большинство мутаций рецессивно. Отсюда возникаю т и боль­ шие затруднения в постановке опытов по учету частоты возникаю ­ щих мутаций .

Представим себе, что мы облучаем рентгеновскими лучами самку дрозофилы; при этом излучения влияю т на ее половые клет­ ки. Допустим, что в части половых клеток вследствие этого воз­ никли рецессивные мутации. Очевидно, что в потомстве (первом поколении) мы этих мутационных изменений не обнаруж им. Н е­ обходимо всех особей первого поколения скрестить между собой, чтобы получить гомозиготные формы по мутировавшему гену .

Н о и в таком случае выявить мутации не удается, потому что если даж е '/4 потомков облученной самки имеет измененные гены, то вероятность, что среди них имеются одинаковые, чрезвычай­ но мала. Меллер разработал, однако, такую методику исследова­ н ия, которая дала ему возможность улавливать все мутации, возникаю щ ие в Х -хромосомах. Он подвергал воздействию рент­ геновских лучей и самок и самцов. В основном результаты его опытов заклю чались в том, что после облучения мух в их потом­ стве обнаруж ивалось очень большое количество измененных форм .

П оявляли сь самые разнообразные мутации: и таки е, которые уже были известны из работ с дрозофилой, и новые. П ри этом обна­ руж илось очень большое количество не только видимых мутации, но и летальны х. Среди мутаций были такие, которые получались ранее в обычных условиях, например киноварные глаза у дрозо­ филы .

В общем частота появления мутаций под влиянием рентгенов­ ских лучей увеличилась в 150 раз .

Один из методов, которым пользовался Меллер в своих р а­ ботах, заклю чается в следующем: он брал для опытов уже из­ вестную нам линию дрозофилы, в которой самки имеют спаянные Х-хромосомы и Y-хромосому. При скрещ ивании таких мух рас­ пределение подовых хромосом долж но происходить согласно схе­ ме, изображенной на рисунке 85, т. е. самки обе спаянные Х-хромосомы получают от матери, а самцы единственную Х -хромосому получаю т от отца .

Таким образом, все мутационные изменения, и доминантные, и рецессивные, которые ьозникают в Х-хромосоме спермиев сам­ Сапе и летальная Сверх са п ка Самка, имеющая полулетальн комбинация у-хромосому Рис. 85. Схема распределения X - и У-хромосом при скрещивании самки со спаянными Х-хромосомамн с нормальным самцом .

цов, подвергш ихся облучению рентгеновскими лучами, п роявятся у сыновей, если они получат Х-хромосому от отца и другой Xхромосомы, несущей нормальные аллеломорфы к мутировавшим генам, не будут иметь. Чтобы исключить ошибки при возможном разъединении спаянны х Х-хромосом у самок, М еллер брал для опыта линии, у которых самки в каж дой из спаянны х хромосом имели рецессивный ген yellow (у) — желтое тело, а Х-хромосомы самца — рецессивный ген bobbed ( bb). Т аким образом, Х -хром о­ сомы самки и самца оказываю тся маркированны ми опреде­ ленными генами. Схема опыта М еллера приведена на рисунке 86 .

–  –  –

Рис. 92. Схема воспроизведения Д Н К согласн о модели Уотсона — Крика .

О с н о в а н и я н у к л е о т и д о в о б о з н а ч е н ы к р у ж к а м и и б у к в а м и. ц е п и н у к л е о т и д о в — л о м а н ы м и л и н и я м и, ч т о б ы п о к а з а т ь, ч т о о н и со с т о я т из двух к о м п о н е н т о в : с а х а р а и ф о с ф о р н о й к и с л о т ы. 1 — п е р в и ч н а я н и т ь ; г — к о м п л е м е н т а р н а я н и т ь ; з — р о ж д е н и е н и т е й ; 4 — св о б о д ны е S нуклеотиды ; — на ча л о уд в о е ни я ; 6 — заверш ение уд во ени я .

В результате, как это нетрудно себе представить, при такой репродукции «дочерние» молекулы сохраняю т свою структуру, последовательность нуклеотидов и связанную с ней запись н а­ следственной информации (см. рис. 92) .

Выяснение процесса ауторепродукции молекул Д Н К имеет ог­ ромное значение для развития молекулярной генетики. А уторепро­ дукция обеспечивает сохранение м олекулярной структуры хро­ мосом в ряду клеточных поколений, без чего н ельзя было бы по­ нять роль молекул Д Н К в передаче наследственной инфор­ мации .

Синтез белков в клетке. Выше было показано, что Д Н К об­ ладает замечательной способностью к ауторепродукции, т. е .

способностью к аутокаталитическому синтезу подобных себе мо­ лекул. В аж но особо отметить, что для процесса ауторепродукции необходимо присутствие определенного фермента Д Н К — поли­ меразы, связываю щ его отдельные звенья в длинную молекулу .

П олимерная макромолекула состоит из многих генов, несу­ щих наследственную информацию .

Но передача наследственной информации, к ак мы увидим ни­ ж е, была бы невозмож на, если бы гены, а значит и вся моле­ ку л а Д Н К, не обладали другим замечательным свойством — способностью обеспечивать синтез Д Н К других молекул Р Н К — гетеросинтезом .

Сложнейшие жизненные процессы в организмах растений, животных и микроорганизмов связаны прежде всего с белками .

Они составляю т 45% сухого веса, входят в состав ядра и цито­ плазмы любой клетки, хромосом, образуя с молекулами Д Н К нуклеопротеиды. И з белков состоят важнейш ие органоиды клет­ ки. Б е л к и входят к ак главная часть в ферменты и многие гормо­ ны. Особенностью больш инства белков явл яется их видовая спе­ цифичность. Она хар актерн а не только для различны х, даж е близких, видов животных и растений, но п роявляется такж е у отдельных особей одного вида .

Полипептидные цепи молекулы белка состоят из аминокислот .

В состав молекулы белка может входить до 20 различных амино­ кислот .

В клетках растений осущ ествляется синтез всех 20 видов ами­ нокислот. У животных и человека способность синтезировать аминокислоты ограничена, и большую часть аминокислот ж ивот­ ные и человек получаю т в готовом виде с пищей .

К ак известно, получаемые с пищей животные и растительные белки под влиянием пищ еварительны х ферментов расщ епляю тся на аминокислоты, поступающие затем из киш ечника в разли ч­ ные клетки организма .

Свойства белков зависят от химического состава и строения их молекул .

V .

–  –  –

Из полппоптндних ucneii, содержащ их в различном количе­ стве аминокислоты, расположенные в определенном порядке, строятся молекулы белка. Все многообразие и специфичность бел­ ков определяются главным образом количеством тех или иных аминокислот и порядком их располож ения в полипептидных цепях .

Если мы представим себе простейший случай строения бел­ ковой молекулы, которая содержит одну полнпептпдную цепь, состоящую из аминокислот, по одной аминокислоте каждого ти­ па, то и в этом случае последовательность в расположении может быть весьма разнообразной: число различных комбинаций одноцепотчатом полинуклеотиде Д Н К.

Разделение молекулы лементарное притяжение нуклеотидов:

Д Н К ; з —н у к л е о т и д а д с н и н в ц еп и Д Н К п р и т я г и в а е т и з ц и то п лазтвеп н ы й м о л е к у л е Р Н К .

аминокислот может быть выраж ено числом с восемнадцатью зн а­ ками .

М олекулы слож ны х белков состоят из сотен и тысяч амино­ кислотных остатков. При этом количество комбинаций в порядке располож ения аминокислот беспредельна велико. М олекуляр­ ный вес белков очень различен в связи с различной сл ож ­ ностью их строения — от С— 12 тысяч до сотен тысяч. Моле­ ку л ы белка содерж ат одну или несколько полнпептидных цепей, состоящ их из аминокислот. Аминокислотные остатки связаны последовательно один с другим пептидными связям и между к а р ­ боксильными и аминогруппами соседних аминокислот. Последовательность располож ения аминокислот строго специфична для каж дого типа белка .

Кроме различий в аминокислотном составе полипептидной цепи, белковые молекулы отличаются еще друг от друга располож е­ нием цепи в пространстве: нолипептидные цепи в молекулах од­ них белков завернуты в своеобразную спираль, а другие молекулы имеют более сложное строение, образуя трехмерные фигуры. Моле­ кулы многих белков состоят из нескольких полипептидных цепей .

П оскольку белки представляю т собой вещества, с которыми связаны все важнейш ие жизненные процессы, с одной стороны, а с другой — важнейш ие наследственные особенности человека, животных и растений связаны со специфичностью многочислен­ ных белков, вопрос об изучении синтеза белков в клетке приобре­ тает особое значение .

Носителем наследственной информации явл яется Д Н К, белки обеспечивают жизненные процессы, и ими обеспечиваются ос­ новные наследственные признаки организма. Достаточно вспом­ нить, что, для того чтобы в кл етках происходил синтез р а з­ личных веществ, необходимо присутствие специфических белков — ферментов .

Возникает вопрос: каким образом наследственная информа­ ция дезоксирибонуклеиновой кислоты определяет синтез того или иного специфического белка?

Синтез белков — важ нейш ая функция клетки, и в нем участву­ ют многие органоиды и вещества, находящ иеся в цитоплазме и в ядре .

В аж нейш ая роль в синтезе белков принадлеж ит нуклеино­ вым кислотам — дезоксирибонуклеиновой кислоте (Д Н К ) и рибонуклеиновым кислотам (Р Н К ). Выше мы ознакомились с м олекулярной структурой Д Н К. Посмотрим, чем отличаются молекулы Р Н К от молекул Д Н К .

П режде всего, в то время когда Д Н К локали зован а почти ис­ клю чительно в хромосомах ядра, рибонуклеиновые кислоты име­ ются в ядре, в ядры ш ке и в особых многочисленных мельчайших гран улах цитоплазмы — рибосомах. Сходство молекул Р Н К с моле­ кулам и Д Н К прежде всего заклю чается в том, что молекулы Р Н К представляю т собой такж е цепочку из нуклеотидов. Но при этом азотистые основания связаны с остатками другого сахара, а именно вместо дезоксирибозы, характерной для Д Н К, в Р Н К содерж ат­ ся остатки сахара — рибозы. Отдельные нуклеотиды Р Н К так ­ же содерж ат одно из четырех оснований, но одно из оснований, присутствую щ их в Д Н К, — тимин — заменено в Р Н К урацилом .

Существенное отличие молекул Р Н К состоит такж е в том, что эти молекулы состоят не из двух цепей нуклеотидов, а только из одной .

М олекулярны й вес Р Н К значительно меньше молекулярного веса Д Н К. П олагаю т, что м олекулярны й вес Р Н К достигает 1,5—2 млн. (по последним данным, молекулярны й вес Д Н К доходит до 100—200 млн.). Соответственно не так велико и ко­ личество оснований, составляю щ их молекулы Р Н К, — 4 — 6 тыс .

Мы остановим внимание на рибонуклеиновых кислотах осо­ бенно потому, что различные Р Н К играю т большую роль в про­ цессе синтеза белков в клетках .

Существует три различных типа рибонуклеиновых кислот:

растворимая Р Н К, или транспортная (тР Н К ), обнаруж иваемая главным образом в цитоплазме; рибосомная Р Н К, л окали зован ­ ная в рибосомах (рРН К ); информационная Р Н К (иР Н К ) имеется и в ядре, и в цитоплазме (информационной она назы вается потому, что с этой Р Н К связан а важ нейш ая функция передачи наслед­ ственной информации от Д Н К хромосом) .

Перейдем к рассмотрению важнейш его процесса в ж изнеде­ ятельности клетки — синтеза специфических белков. Строитель­ ным материалом для синтеза служ ат различные аминокислоты, имеющиеся в цитоплазме .

В цитоплазм у животной клетки аминокислоты попадают с пи­ щей в результате обмена веществ, а недостающие аминокислоты такж е синтезирую тся. Таким образом, в цитоплазме клеток дол­ жен иметься всегда большой запас аминокислот .

Эти аминокислоты, однако, неспособны образовать друг с другом пептидные связи. Они долж ны быть активированы. В активации всех аминокислот важнейшую роль играю т ферменты .

Известно, что в состав полипептидной цепи молекулы белков входит до 20 различных аминокислот. А ктивация молекул этих аминокислот заклю чается в том, что они приобретаю т потенци­ альную способность реагировать д руг с другом и образовывать цепь остатков аминокислот — основу будущ ей полипептидной цепи молекулы белка .

К аким же образом осущ ествляется процесс активации ами­ нокислот, для которого необходима затрата энергии?

Особую роль в накоплении и нередачо энергии в клетке и гра­ ет аденозпнтрифосфат, коротко называемый А ТФ. АТФ расщ епля­ ется, н часть его молекулы (аденозинмонофосфат) под действием специфического фермента присоединяется к кислотной группе определенной аминокислоты. Эта реакция обогащает аминокисло­ ту энергией .

Процесс синтеза полипептидной цени того или иного специфи­ ческого белка осущ ествляется в рибосомах, расположенных в ци­ топлазме. К ак мы уж е отметили, рибосомы состоят из белка и ри­ бонуклеиновой кислоты .

А ктивированные аминокислоты долж ны быть доставлены в рибосомы. Эту функцию и выполняет сравнительно малополимер­ ная (см. выше) транспортная рибонуклеиновая кислота .

В настоящее время хорошо известно, что для каж дой нз 20 аминокислот сущ ествует строго определенная разновидность транспортной Р Н К .

И так, белки синтезирую тся в рибосомах из аминокислот, приносимых сюда тР Н К. В клетке синтезируется очень много раз­ личных белков, имеющих каж ды й определенную специфическую функцию .

Каждый из этих белков содерж ит полипептидные цепи, со­ стоящие из определенных аминокислот, остатков которых в мо­ лекуле белка может быть сотня и больше. При этом известно, что аминокислоты в полипептидной цепи молекулы белка дол­ жны быть расположены в определенном порядке. Недостаток или замена одной из сотен аминокислот часто резко изменяет каче­ ство специфического белка. В последнее время биохимики опреде­ лили последовательность располож ения аминокислот в молекуле некоторых белков, а именно: инсулина, белков вируса табачной мозаики, фермента рнбонуклеазы. Заверш ается расшифровка аминокислотного состава ряда белков: гемоглобина, миоглобина, пепсина, трипсина и др .

П оказано, что в результате мутации может произойти замена одной аминокислоты в составе белка. Специфические белки опре­ деляют характер обмена веществ и развитие важнейш их наслед­ ственных качеств организма .

В связи со всем сказанны м возникает важнейш ий вопрос:

каким образом синтез специфических белков связан с Д Н К — дезоксирибонуклеиновой кислотой, содерж ащ ейся в хромосомах яд р а клетки?

Исследования последних лет вскры ли, что связь наследствен­ ной информации, записанной в Д Н К, с синтезом белков в рибо­ сомах клетки осущ ествляется благодаря удивительным свойст­ вам полимерной макромолекулы Д Н К, по сущ еству управляю щ ей этими процессами .

Нам уж е известна зам ечательная способность молекулы Д Н К в процессе ауторепродукции обеспечивать синтез подобной ж е молекулы, комплементарной к ней по расположению осно­ ваний .

Сравнительно недавно было установлено, что макромолекула Д Н К обладает такж е способностью обеспечивать синтез особой рибонуклеиновой кислоты .

Н аследственная информация связан а с порядком располож е­ ния пар оснований в;;о it иош м ерной молекулы Д Н К. То или иное наследственное качество зависит от определенного участка молекулы Д Н К, обычно называемого геном. Однако молекула Д Н К насчитывает несколько десятков тысяч нуклеотидов. Под­ бор аминокислот, их расположение в полипептидной цепи белка определяется расположением азотистых оснований того или иного участка молекулы Д Н К .

И сследования, проведенные в этом направлении, п оказали, что определенные участки молекул Д Н К притягиваю т нз окруж аю ­ щей среды нуклеотиды и строят молекулу Р Н К, в которой осно­ вания являю тся комплементарными к соответствующим основа­ ниям молекулы Д Н К, отличаясь тем, что место тимина занимает урацнл. Происходит процесс гетерокаталнтического синтеза, и создается сравнительно небольш ая (по сравнению с м олекулой Д Н К ) цепочка молекулы п Р Н К —специфической информационной Р Н К (см. рис. 93). М олекула этой рибонуклеиновой кислоты (иР Н К ) покидает ядро, входит в цитоплазму, н ап р ав л яясь к рибосомам, где, участвуя в процессе синтеза белка, передает наследственную ин­ формацию. Последовательность оснований в молекуле и Р Н К и определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка. В этот момент происходит «считывание генетического кода», заключенного в нуклеиновых кислотах. О расш ифровке этого кода будет сказан о дальш е .

Особенности генетики м икроорганизмов. В предыдущих раз­ д елах мы и злагали основы генетики, имея в виду организмы ж ивот­ ных и растений, имеющих типичное клеточное строение .

У всех этих организмов молекулярны е структуры, несущ ие за ­ пись наследственного кода, связаны с хромосомами .

И з всего сказанного ранее ясно, что именно молекулы Д Н К заклю чаю т в себе запись наследственной информации. Особенно ярким доказательством этого служ ит клю чевая роль Д Н К в процессе синтеза большого количества специфических белков, которые в процессе развития организма определяют проявление (формирование) тех или иных строго определенных наследствен­ ных п ризнаков .

Однако важнейш ие вопросы, связанны е с особенностями строе­ ния и функции Д Н К и Р Н К, были решены в последние годы в р а­ ботах с микроорганизмами. Т ак обычно называю т большую груп ­ пу живых существ, однако довольно различны х по своей органи­ зации .

К микроорганизмам относят обычно низш ие водоросли и гри ­ бы, например продуценты антибиотиков, бактерии и вирусы .

Многие из этих микроорганизмов, обладая рядом особенно­ стей, являю тся типичными клеточными формами. Сине-зеленые водоросли, актиномицеты, бактерии и, конечно, вирусы значи­ тельно отличаю тся по своей организации, главным образом по структуре клеточного ядра .

Б актерии, актиномицеты и сине-зеленые водоросли не имеют типичного оформленного клеточного ядра. Я дро их представлено ядерными элементами (нуклеотидами), содержащими своеобразные «хромосомы», состоящие лиш ь из молекул Д Н К .

С другой стороны, вирусы являю тся неклеточными организ­ мами, состоящими только из белковой оболочки и молекулы Д Н К или Р Н К .

Д л я разм нож ения вирусов необходимы ферменты, и поэтому они могут сущ ествовать лиш ь внутри клеток-хозяев .

Имея в виду всю искусственную группу микроорганизмов, следует отметить, что многие из них представляю т исключитель­ ный интерес, так как являю тся очень удобными для решения важнейш их проблем генетики. У них большое преимущество в быстроте размнож ения и смены поколений, что дает исследо­ вателю возможность в течение небольшого времени получить большое число поколений .

При изучении многих микроорганизмов применяю тся хорошо разработанны е бактериологические методы посева на питатель­ ных средах в чаш ках Петри .

Второе существенное преимущество в работе с м икроорганиз­ мами — это возможность наблюдения и получения большого ко­ личества мутаций под воздействием различных мутагенных ф ак­ торов. Т ак, например, низшие грибы оказались продуцентами важнейш их антибиотиков — пенициллина, стрептомицина, эф­ фективность которых была значительно повышена путем полу­ чения мутаций .

Конечно, изучение микроорганизмов на молекулярном уров­ не стало возможным благодаря применению новых методов ис­ следования — электронной микроскопии, рентгеноструктурного ан ал и за, ультрафиолетовой микрофотографии и спектроскопии, использованию меченых атомов и т. д. Исключительный интерес и значение имеют работы последних лет с вирусами и бакте­ риями .

Вирусы — неклеточные организмы — низш ая ступень орга­ низации жизни на нашей планете. Возможно, однако, что упро­ щ енная организация вирусов — результат их паразитического образа жизни .

К ак известно, вирусы являю тся возбудителями болезней очень многих растений, животных и человека. Р азличаю т ж ивот­ ные вирусы, растительные и бактериальные, поражаю щ ие бакте­ риальны е клетки .

Эти бактериальны е вирусы получили название бактериофагов, что значит «пожиратели бактерий». Проще их называют ф ага­ ми. Ф аги ц ривлекли к себе особое внимание ученых — биохими­ ков и генетиков. Это объясняется удобством работы с ними. В настоящ ее время имеется очень большое количество исследова­ ний, посвященных генетике бактериофагов .

На рисунке 94 дано схематическое изображ ение фага. Эти ви­ русы (фаги) имеют, как видио из рисунка, грушевидную форму тела, состоящего из «головки» и «хвостика», или «ножки» .

Размеры фагов очень малы, и они доступны только изучению при помощи электронного микроскопа. Т ак, например, фаги из группы Т и Т2, 7\ч, зараж аю щ ие кишечную палочку, и т. д. имеют ш ирину головки 45—80 ммк, длина хвоста — 100— 150 ммк .

Стенка головки и хвоста сос­ тоит из белка. Полость головки продолжается в виде узкого кана­ ла в хвосте, где этот канал замы­ кается особой мембраной. Внут­ ри головки, в полости, помеща­ ется молекула Д Н К. На кончи­ ке хвоста расположены особые ферменты, выделяющие вещества, способные растворять оболочку бактерий .

Особое внимание обращает на себя макромолекула Д Н К, лежа­ щая в тельце фага. Исследования последнего времени позволяют установить, что эта молекула плот­ но уложена, образуя складки, и спирально закручена .

Возникает вопрос: одна ли молекула помещается в тельце фага? Исследования показали, что в тельце фага имеется только Рис. 94. Схема строения бакте­ одна молекула Д Н К с комплемен­ риофага .

тарной двойной цепочкой соответ­ ственно модели Уотсона и Крика .

Эти данные показывают, что в отношении структуры молеку­ лы Д Н К наблюдается замечательное единство на различных сту­ пенях органической эволюции .

Однако известны фаги, содержащие одноцепочечную Д Н К, а также такие вирусы, у которых носителем наследственной инфор­ мации является РН К .

Рассмотрим теперь жизненный цикл бактериофага, хорошо изученный на фагах группы Т кишечной палочки .

Фаги сталкиваются с находящимися вблизи бактериями (см .

рис. 95). Кончиком хвоста фаг прилипает к оболочке бактерии, которая растворяется. Мембрана, закрывающая канал хвостика, раздвигается, хвостик вонзается в оболочку бактерии, и сокраще­ нием тельца фага молекула Д Н К вводится в цитоплазму бакте­ рии. Исследования показали, что белок фага или вовсе не попа­ дает в бактерию, или если и попадает, то в ничтожном количестве (около 3% ) .

Таким-образом, в тело бактерии впрыскивается чуждая ей молекула Д Н К, несущая запись наследственной информации определенного вида фага .

Д Н К фага, проникшая в бактерию, обладает большой актив­ ностью и резко влияет на метаболические процессы в теле бакте­ рии. Д Н К фага начинает размножаться путем ауторепродукции .

\ /

-3

-4

–  –  –

в листья табака вводили нуклеиновую кислоту, то быстро разви ­ валась картин а листовой мозаики, причем молекулы нуклеиновых кислот разм нож ались и за счет веществ поврежденных листьев строили специфическую белковую оболочку вируса .

Д ж. Т е й л о р пишет: «По крайней мере один вирус (табач­ ной мозаики) можно разлож ить и вновь создать»1. Автор огова­ 1 J. Herbert Taylor. Molecular genetics. Edited by Part 1963. New York— London .

ривается, что отсюда не следует возможность разлож ить и создать в н о в ь высшие клеточные организмы, но разлож ение вируса на бе­ л о к и нуклеиновую клетку — это не так мало, так к ак откры ва­ ются ш ирочайшие перспективы для изучения проблем наследст­ венной информации и направленной изменчивости .

В связи с исследованием микроорганизмов, и в частности б ак­ терий и вирусов, представляю т большой интерес сравнительно недавно изученные процессы трансформации и трансдукции .

Т рансф орм ация. В опытах с бактериями были впервые обнару­ жены явл ен и я, представляю щ ие большой теоретический и п р ак­ тический интерес. Это прежде всего процесс трансформации .

Впервые (1928 г.) трансформация была обнаруж ена бактерио­ логами в опытах с различными пневмококками, вызывающими, к ак известно, тяж елы е легочные заболевания. Однако в то время явление трансформации не могло быть объяснено, и только после 1944 г. с началом развития м олекулярной генетики процесс транс­ формации был расшифрован .

В чем же состоит процесс трансформации?

Он заклю чается в том, что при определенной постановке опы­ тов с двум я штаммами бактерий — вирулентными и невирулент­ ными — свойства одного штамма переходят к другому — транс­ формируются наследственные свойства последнего. Свойства од­ ного штамма трансформирую тся, направленно изменяю тся под влиянием другого .

Разберем это на конкретном примере .

Д л я опыта были взяты два штамма пневмококков — невиру­ лентные пневм ококки, введение которых в организм животного не вызы вало заболевания, и вирулентны е, которые вызы вали за­ болевания .

Вирулентные пневмококки убили нагреванием и ввели в организм животного (кролика) (см. рис. 97). Ж ивотные остались здоровыми. Если далее такой штамм убитых нагреванием ви рулент­ ных пневмококков соединить с невирулентными, получается на первый взгляд соверш енно неожиданный результат. Смешанная ку л ь ту р а пневмококков становится вирулентной и вызывает за­ болевание .

Можно ск азать, что прибавление убитых вирулентных пнев­ мококков к ку л ьту р е невирулентных каким-то образом трансфор­ мировало последних и сделало их вирулентными .

Последующими опытами было неопровержимо и четко п оказа­ но, что «трансформирующий фактор» — это Д Н К. Процесс транс­ формации состоит в том, что участок Д Н К в известных условиях проникает в кл етку бактерии и вклю чается в ее генотип (молеку­ л у Д Н К ). Опыты по трансформации одни из первых показали значение Д Н К для определения наследственной специфичности бактерий и сы грали значительную роль в изучении Д Н К как но­ сителя наследственной информации .

Рис. 97.

Бактериальная трансформация в живом организме:

1 — и н ъ е к ц и я а в и р у л е н т н ы х (н е п а т о ге н н ы х ) п н е в м о к о к к о в к р о л и к у (а — а в и р у л е н т н ы е п н е в м о к о к к и ; б — к р о л и к, о с т а в ш и й с я зд о ­ р о вы м п о сл е и н ъ е к ц и и п н е в м о к о к к о в ; в — а в и р у л е н т н ы е форм ы п н е в м о к о к к о в, в ы д ел ен н ы е и з з д о р о в о г о к р о л и к а ) ; 2 — и н ъ е к ц и я к р о л и к у в и р у л е н т н ы х (п а то г ен н ы х ) п н е в м о к о к к о в (а — в и р у л е н ­ т н ы е п ат о ге н н ы е ф орм ы п н е в м о к о к к о в ; б — к р о л и к, заболев­ ш и й п о сл е и н ъ е к ц и и п н е в м о к о к к о в п н е вм о н и ей ; в — в и р у л е н т н ы е ф орм ы п н е в м о к о к к о в, в ы д е л е н н ы е и з б о л ь н о го к р о л и к а ) ; з — и н ъ ­ е к ц и я к р о л и к у в и р у л е н т н ы х к л е т о к п н е в м о к о к к о в, у б и т ы х п овы ­ ш енной т е м п е р а т у р о й (а — к л е т к и в и р у л е н т н ы х п н е в м о к о к к о в, у б и ты х т е п л о м ; 6 — зд о р о в ы й к р о л и к п о сл е т а к о й и н ъ е к ц и и ; ж и в ы х к л е ­ т о к п н е в м о к о к к о в в к р о л и к е н ет ); 4 — и н ъ е к ц и я к р о л и к у смеси и з ави рулен тны х п невм ококков и клеток вирулентны х пневм ококков, у б и т ы х теп л о м (а — к л е т к и ави рулен тны х п невм ококков; б — к л е т к и в и р у л е н т н ы х п н е в м о к о к к о в, у б и ты х т е п л о м ; в — к р о л и к, за б о л е в ш и й п н евм о н и ей п о с л е т а к о й и н ъ е к ц и и ; г — к л е т к и в и р у ­ л ен тн ы х п н е в м о к о к к о в, вы делен н ы е и з б о л ьн о го к р о л и к а и п р ет е р ­ п ев ш и е б а к т е р и а л ь н у ю трансф орм ацию ) .

Рис. 98. Картпна распределения мутаций п районе II, состоящем из двух цистронои — А н В, у бактериофага Т4 .

Трансдукция. При трансдукции, в отличие от трансформации, перенос участков Д Н К, приводящ ий к изменению генотипа бакте­ рии реципиента, происходит при помощи фагов. Ф аг служ ит по­ средником, передающим часть генома одной бактерии (донора) другой (реципиенту). Н априм ер, при зараж ении фагами, ранее размнож авш имися в клетке бактерий, устойчивых к стрептоми­ цину, бактерий, чувствительных к этому антибиотику, некоторая небольш ая доля выживш их бактерий (10-8) становится устойчи­ вой к стрептомицину. О бъясняется это тем, что некоторые уме­ ренные фаги (не вызывающие лизиса бактерий) включают при раз­ множении внутри бактерий в свои белковые оболочки не только свою Д Н К, но и часть Д Н К бактерии-хозяина. Этот участок Д Н К бактерии-донора вносится фагом в бактерию-реципиент и в от­ дельны х случаях вклю чается в е е геном .

Конъюгация. Кроме этих двух способов рекомбинации, у б ак­ терий обнаружен и третий, еще более напоминающий гибридиза­ цию высших организмов — конъюгация. В начале было установлено генетически явление рекомбинации у бактерий: при смешанном посеве двух штаммов, неспособных синтезировать отдельные раз­ личные питательные вещества (аминокислоты, витамины), возни­ кали колонии, способные синтезировать -их. Затем было уста­ новлено, что для этого необходим контакт между клетками двух штаммов, и наконец было обнаруж ено само явление: между дву­ мя бактериальными клетками цитоплазматический мостик, по которому генетический материал (Д Н К ) переходит из одной клетки в другую. Интересно, что при всех трех описанных меха­ низмах рекомбинации у бактерий (трансформация, трансдукция, конъю гация) бактерия-реципиент получает лиш ь часть хромосомы бактерии-донора (у бактерии имеется лиш ь одна «хромосома», имеющая форму кольца) .

Т р а н с ф о р м а ц и я, т р а и с д у к ц и я и к о и ъ то­ г а ц и я п р и в о д я т к и о р е к о м б и н а ц и я м н а сл о д с т в е п п о г о м а т е р и а л а у П а к т е р и й и м о- гут иметь б ол ьш ое и рак т ическ ое з каче­ ние в н а п р а и л о и н о м и з м е и е н и и н а с л е д с тв е и и о с т и б а к т е р и ii .

Многочисленные, тщ ательно проведенные опыты с микро­ организмами имеют огромное значение, так как они показываю т единство м олекулярной основы наследственной информации на всех ступенях развития органического мира и служ ат блестящим доказательством исключительной роли Д Н К или Р Н К как моле­ кулы, заключающ ей в себе генетический код. У всех организмов обнаруж ено линейное расположение генов и возможность их изменения путем мутаций .

Напомним, что понятие о С тр о е н и е ге н а и ге н е ти ч е с ки й код .

гене н само название «ген» как единица наследственности возник­ ло в 1907 г. Однако Г. Мендель в своих работах над растительны ­ ми гибридами упоминает о наследственных «факторах» в гипотезе чистоты гамет .

Во всех дальнейш их генетических исследованиях ген становит­ ся общепризнанной единицей наследственности. З а весь период развития генетики понятие о гене уточнялось благодаря многочис­ ленным открытиям: была доказана локали зац и я генов в хромосо­ мах; выяснилось, что гены изменяю тся в результате мутаций;

было разработано понятие об ал л ел ях и их локализации в соот­ ветствующих локусах гомологичных хромосом .

Крупнейшим шагом вперед в изучении генов были открытия Т.М оргаиа. Он доказал линейное расположение генов вхромосомах .

Н а основании этих исследовании составлены планы хромосом дрозофилы и ряда других организмов. Хромосомная теория объяс­ нила процент рекомбинаций частотой перекреста (кроссингове­ ра), ведущего к обмену частями гомологичных хромосом .

Все эти открытия имели огромное значение для развития гене­ тики и хромосомной теории наследственности. В результате фор­ мируется учение о гене как о единице функции, рекомбинации и мутации. Среди генетиков было всеобщим убеждение в недели­ мости гена. Они представляли себе ген как единое целое, как по­ следнюю элементарную единицу наследственности. Но уже в начале 30-х годов возникло сомнение в том, что ген неделим. Пер­ вым сигналом в этом отношении полож ило открытие множествен­ ных аллелей, или серии множественных аллелей (см. стр. 45) .

П олучилось так, что единый ген может изменяться, д авая целый ряд мутаций, связанны х с изменениями определенного признака .

У некоторых организмов, и прежде всего у дрозофилы, были от­ крыты серии множественных аллелей, содерж ащ их десятки разнообразных мутаций, а у рогатого скота обнаруж ена серия аллелей, вклю чаю щ ая до 80 мутаций, т. е. в результате мутаций возникло 80 разных состояний одного локуса .

К ак уж е ранее было отмечено (см. гл. V, стр. 113), новый этап в изучении гена начался с работ советских генетиков в н а­ чале 30-х годов. Разработкой строения гена была зан ята л аб о р а­ тория А. С. С е р е б р о в с к о г о. Работы А. С. С е р е б р о в ск о г о, затем Н. П. Д у б и н и н а показали, что ген имеет значи­ тельно более сложное строение, чем предполагали раньш е .

Работы велись по изучению гена scute, локализованного в по­ ловой хромосоме дрозофилы. Этот ген определяет развитие щ е­ тинок на теле мухи. Различны е аллельны е мутации гена к а са­ лись недоразвития щетинок на тех или иных определенных участ­ ках тела дрозофилы и различной степени редукции щетинок .

П ри генетическом анализе этих мутаций, скрещ ивании их друг с другом выяснилось, что в гетерозиготе они ведут себя частично как аллельны е гены, а частично к ак мутации независимых локусов хромосом. Т аким образом, ген оказался слож ной системой, в которой мутации ведут к изменению лиш ь отдельных его частей .

Н азвание «множественные аллели» было заменено более удач­ ным «ступенчатые аллели» и была сф орм улирована гипотеза о сложном строении гена. Ген в целом н азван «базигеном», а мути­ ровавш ие аллели «трансгенами» .

Д альнейш ее развитие учения о строении гена связан о с пере­ ходом методов генетических исследований с хромосомного на м олекулярны й уровень. Больш ое значение при этом имело ис­ пользование в работах генетиков до того времени мало изучен­ ных микроорганизмов: бактерий и даж е неклеточных форм — вирусов. Особенно большое значение в этих работах имели иссле­ дования бактериофагов из группы «7», зараж аю щ их киш ечную палочку .

И спользование быстро разм нож аю щ ихся микроорганизмов и вирусов в этих исследованиях и разработка специальны х мето­ дов вы явления очень редко возникаю щ их рекомбинантов позво­ лили сильно увеличить «разрешающую силу» генетического ан а­ лиза и у лавли вать появление рекомбинантов при частоте реком­ бинаций в десятые и сотые доли процента .

Н а основании большого числа исследований на очень большом материале были составлены карты строения гена у фагов (см .

рис. 98) .

Подтвердилось предположение о сложном строении его .

Д о откры тия делимости гена считали, что кроссинговер (см .

стр. 62) происходит только между разными соседними генами .

В новейших исследованиях был обнаруж ен кроссинговер внутри слож ного гена .

И так, ген оказался очень сложной и притом делимой в про­ цессе внутригенного кросси ш овера частью молекулы Д Н К .

Невольно напраш ивается аналогия с судьбой изучения физи­ ческой единицы материи — атома. Атом — значит неделимый .

Таким его считали долго, вплоть до открытия радиоактивного рас­ пада. Атом оказался имеющим довольно сложное строение .

В изучении природы гена особенно большое значение имели работы Б е н з е р а и ряда других исследователей, проведенные на бактериофагах и других объектах .

В результате своих работ Б ензер ввел три новых понятия:

1. Ранее считали, что кроссинговер может происходить толь­ ко между генами и, таким образом, ген — это элементарная еди­ ница генетической рекомбинации. Однако доказано, что рекомби­ нации происходят и внутри гена. Н аименьш ая единица рекомби­ нации н азван а реконом .

2. Ранее считали ген единицей мутации. Однако было обнару­ жено, что изменения отдельных участков внутри сложного гена приводят к изменению его функции. М ельчайш ая единица, спо­ собная к изменению, была названа мутоном .

3. Ген считали единицей функции. Многочисленные исследова­ ния показали, что функция гена может изменяться в зависимости от того, расположены ли два мутантных аллеля сложного гена в одной хромосоме, а их нормальные аллели в гомологичной (цисположение), или мутантные аллели расположены в двух гомоло­ гичных хромосомах (трансположоиие). Единицу функции пред­ лож ено назы вать цистроном .

П ар ал л ел ьн ая работа биохимиков и генетиков п оказала, что наименьш ая величина рекона и мутона близка к величине одного или нескольких нуклеотидов. Цисгрон же гомологичен участку Д Н К, «кодирующему» синтез определенного полипептида, и со­ держ ит ты сячу и более нуклеотидов (см. рис. 98) .

Выше мы ознакомились с процессом синтеза специфических белков, с ролью Д Н К, заключающ ей генетическую информацию, с различными видами Р Н К и рибосомами, в которых заверш ается процесс синтеза белков. Мы подошли к важнейш ему, основному вопросу: каким образом в молекуле Д Н К записана наследственная информация в цепи оснований, составляю щ их эту молекулу?

Д ругими словами, подошли к проблеме расшифровки генетиче­ ского кода, определяющего последовательность и число аминокис­ лот в полипеитидной цепи различны х специфических белков .

Ф. К р и к о м и его сотрудниками была выдвинута гипотеза, оказавш аяся в дальнейшем очень плодотворной и приведш ая к расшифровке генетического кода для всех 20 аминокислот, участ­ вующих в построении белковой молекулы .

Н а основании изучения мутаций и рекомбинаций у фага Т в определенном цистроне вы сказано предположение, что каж д ая из аминокислот, составляю щ их данный пептид, притягивается небольшой группой основании в молекул информационной Р Н К, состоящей всего из трех нуклеотидов, названны х триплетами .

Каждый из тршш етоп состоит из трех оснований и определяет положение в иолипептидиой цсЬи одной аминокислоты .

Проведенные рядом исследователей очень сложные биохими­ ческие опыты с бесклеточными системами, содержащ ими амино­ кислоты и синтетическую Р Н К, подтвердили гипотезу К рика и привели к расшифровке генетического кода, программирую щ его синтез белков. Бы ли установлены трнплетные комбинации урацила, аденина, цитозина, гуанина. К аж ды й из триплетов определяет положение определенной аминокислоты в полипептидной цепи .

Т ак, в 1962 г. был впервые открыт генетический код, програм­ мирующий синтез белков. Полученные результаты подтвердились дальнейшими исследованиями .

Генетическая информация, закодированная в молекуле Д Н К, передается затем информационной Р Н К (процесс транскрип­ ции), и уже в рибосомах последовательность триплетов осно­ вании (кодонов) определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи (процесс трансляции). Поэтому в триплеты оснований (кодоны) входят основания, имеющиеся в молекуле информационной Р Н К : Л — аденин, У — урац и л, Г — гуанин, Ц — цитозин .

Триплетный код (на 1965 г.)

–  –  –

О РГАН И ЗМ А

В л и я н и е генов н а с и н т е з б е л к о в. В главе, посвященной основ­ ным достижениям м олекулярной генетики, изложены современ­ ные воззрения на природу генов и механизм их действия. В крат­ це сформулируем основные данные: ген — это участок Д Н К с специфичной последовательностью нуклеотидов. Г лавная его функция — это способность служ и ть матрицей для синтеза новых молекул Д Н К. Б л агод аря образованию комплементарных нитей со специфичными парами оснований — А — Т и Г — Ц — стр у к ­ тура матрицы — молекулы Д Н К и ее участков — генов при этом воспроизводится. Это обеспечивает передачу наследственной ин­ формации от клетки к клетке, от одного поколения организмов другому. Н о не менее важ н а и д ругая сторона функции молекул Д Н К — это их способность синтезировать комплементарные им, специфические (благодаря последовательности оснований) одно­ цепочечные молекулы информационной Р Н К, которая определяет структуру белков, строящ ихся в клетке, в определенных мельчай­ ших ее структурах — рибосомах, точнее полипептидных цепей, входящ их в молекулу белка. В этом процессе участвую т, кроме вы сокомолекулярной информационной Р Н К, такж е низкомоле­ к у л я р н а я транспортная Р Н К, отдельные молекулы которой, имеющие специфическую последовательность оснований, всту­ пают в соединение с определенными аминокислотами и «подносят»

их к рибосомам. Там участки этой транспортной Р Н К, содерж а­ щие соответствующую последовательность оснований, присоеди­ няю тся к комплементарным участкам информационной Р Н К, ами­ нокислоты встают, таким образом, в определенной последователь­ ности и соединяю тся пептидными связям и, образуя пептиды .

Т аким образом через процесс «транскрипции» ( Д Н К — Р Н К ) и последующий процесс «трансляции» ( Р Н К — полипептид) осу­ щ ествляется влияние «закодированной» в Д Н К наследственной информации на синтез специфических белков в клетке. А белки, как известно, — главны й субстрат ж изни. Это компонент фермен­ тов, без которых в клетках не могут идти необходимые реакции, а такж е не может происходить и синтез самих нуклеиновых кислот .

Если изменяется матрица Д Н К — выпадает основание, или вклю чается новое, или одно основание зам еняется другим, то такое изменение будет передаваться при редупликации Д Н К из клетки в клетку, т. е. будет наследоваться. Следовательно, в этих клетках будет синтезироваться измененная информацион­ ная Р Н К, а затем и измененный белок. Т аким образом и п р о яв л я­ ется влияние мутаций (изменений в Д Н К ) на ж и зн едеятель­ ность клетки. Сейчас известно много примеров, которые четко демонстрируют возникновение мутаций, непосредственно отраж аю ­ щ ихся на строении белка. Очень ярк и й пример можно привести из генетики человека. У людей было обнаруж ено заболевание крови, так назы ваемая «серповидноклеточная анемия», которая довольно часто встречается в странах, прилегаю щ их к Средизем­ ному морю, в Индии и Африке.

О ней известно следующее:

болезнь эта наследственная, и характер расщ епления показы вает, что наследуется она по схеме моногибридного скрещ ивания. Это говорит о том, что ненормальность крови связан а с мутацией од­ ного гена. У больных эритроциты имеют необычную «серповид­ ную» форму, это зависит от ненормальной струк туры молекулы гемоглобина. А нализ гемоглобина современными методами (элек­ трофорез и хроматография) покапал, что в молекуле белка гемо­ глобина оказал ась измененной лиш ь одна ам инокислота из 600 .

Глю таминовая кислота заменена в мутантной молекуле валином .

Эта замена в молекуле гемоглобина привела к тому, что эритро­ циты у человека, гомозиготного по этой мутации, не смогли выпол­ нять свою функцию .

Известно много мутаций, которые приводили к полной и н ак ­ тивации ферментов. Т акие мутации очень подробно были изучены на плесневом грибе нейроспоре. З а эти исследования американским ученым Б и д л у и Т а т у м у в 1958 г. была присуж дена Н обелев­ ск ая премия .

П ервы е результаты работ, проведенных на нейроспоре, были опубликованы в 1941 г. Они оказали огромное влияние на развитие целой новой отрасли науки — биохимической генетики. Бы ли раз­ работаны методы ан али за биохимических мутантов, которые н а­ ходят сейчас ш ирокое применение в исследованиях по генетике, биохимии, микробиологии .

Плесневый гриб нейроспора может расти на самой элементар­ ной питательной среде: ему необходимы вода, некоторые неорга­ нические кислоты и соли, какой-либо источник углерода и энер­ гии (например, глю коза), азота (например, N H 4N 0 3) и лиш ь один витамин — биотин. Из этих веществ гриб может синтези­ ровать все аминокислоты, белки, витамины и другие сложные ве­ щества. Однако, если произойдет м утация, ненроспора может потерять способность синтезировать какое-либо из веществ, необходимых д ля роста, так как наруш ится синтез определенно­ го фермента. Такой мутант неспособен расти на минимальной питательной среде. Подобные «биохимические мутанты» выделя­ ют п исследуют, какое вещество каж ды й из них не способен син­ тезировать .

А нализ биохимических мутантов п оказал, что у них могут быть наруш ены различные этапы в синтезе какой-либо аминокислоты или витамина. Во многих случаях в культуре накапливается при этом промежуточный продукт, который не может быть использо­ ван в последующих этапах биосинтеза из-за отсутствия необхо­ димого фермента. Таким образом путем анализа биохимических мутантов изучены последовательные этапы биосинтеза ряда ами­ нокислот и витаминов .

Интересно, что «биохимические мутанты» известны и среди лю ­ дей. У отдельных лиц врожденно наруш ен синтез определенных ферментов, что приводит к ненормальному обмену веществ. Это может проявиться, например, в наруш ении синтеза пигментов .

Иногда при отсутствии необходимого фермента в организме не может синтезироваться пигмент меланин. Ч еловек, гомозиготный по такой мутации, будет альбиносом — у него белые воло­ сы, а отсутствие пигмента в радуж ной оболочке гл аз приводит к тому, что просвечивают кровеносные сосуды и гл аза каж утся красноватыми .

Отсутствие другого фермента,связанное с гомозиготностью по другому рецессивному гену, приводит к тому, что в организме н а­ капливается промежуточный продукт обмена веществ — фенилпировиноградная кислота, которая поступает в кровь и частично выделяется с мочой. Эта кислота отравляет нервную систему, и у людей развивается слабоумие .

П р о б л е м а днфференцировки. Приведенные примеры четко пока­ зывают, что первичное действие генов состоит в их влиянии на синтез определенных белков. Б ел ки, обладающие ферментатив­ ной активностью, оказываю т влияние на развитие самых разно­ образных признаков организма .

Перед генетиками сейчас стоит очень важ ны й вопрос, а имен­ но: каким образом обеспечивается дифференцировка клеток .

Ведь благодаря митозу все клетки организма получают полный набор хромосом с локализованны ми в них генами. Однако струк­ тур а и функция клеток взрослого организма различны, и они вы ра­ батывают разные соединения. Н апример, белок инсулин вы рабаты ­ вается лиш ь определенными клеткам и поджелудочной железы, в клетках печени синтезирую тся другие вещества — специфичные ферменты. В листьях растений имеется хлорофилл, а в клетках вен­ чика синтезируется антоцнан и другие пигменты. К ак ж е регули­ руется эта дифференцированная синтетическая активность кл е­ ток? О казы вается, она обусловлена дифференцированной актив­ ностью разных гонов в различны х клетках. П оказало такж е, что в одной и той же клетке на разных этапах ее развития или при Рис. 99. Участок хромосомы слюнной железы, в котором развивается пуф .

В в е р х у — п у ф о тсу тству ет, в н и з у — м а к с и м ал ь н о е его р азви тие, в с е р е д и н е— п р о м е ж у т о ч н а я ст ад и я .

–  –  –

(хирономуса), которыми обычно корм ят аквариум ны х рыб. У ж е в первых работах по составлению карт хромосом было отмечено наличие в определенных участках хромосом расш ирений, или вздутий, впоследствии получивш их название пуфов (см. рис. 99) .

Такой пуф всегда присутствует, например, на дистальном кон­ це Х-хромосомы. О казалось, что при развитии личинки картин а пуфов меняется: в одних участках хромосом пуфы исчезают, в других появляю тся заново. При этом картин а работы пуфов весьма специфична в отдельных дольках ж елезы, а такж е на к а ж ­ дой определенной стадии развития личинки (см. рис. 100). Вве­ дением экдизона, гормона линьки, удается менять стадии разви ­ тия личинки. Путем воздействия рядом факторов можно задер­ ж ать развитие личинки. Под влиянием этих факторов соответ­ ственно меняется развитие пуфов. П оказано, что развитие пуфа связано с усиленным синтезом в этом участке хромосомы Р Н К .

Изучение пуфов показало, что на разных этапах развития личинки в клетках слюнной железы активно работают разные уч а­ стки хромосом, которые синтезирую т, по-видимому, специфиче­ скую информационную Р Н К .

Однако под влиянием каки х факторов вклю чаю тся в работу и выключаются отдельные участки хромосом? Этот вопрос сейчас всесторонне изучается .

В клетках бактерий обнаружены участки хромосом с рядом генов, которые могут активироваться одновременно и обеспечи­ вать выработку целого ком плекса необходимых ферментов. Это Вещество Опером р ец еп т о р Рис. 101. Схема регуляции действия генов по Ж акобу и М о н о: Р — ген регулятор; О —ген оператор, С Г ь C /'s, С Гз — структурные гены .

происходит при добавлении в среду какого-либо питательного вещ ества, наприм ер особого сахара .

Н а основе изучения, этих явлений, а такж е мутантов, у которых изменены нормальные реакции, ф ранцузскими учеными Ж а к о ­ б о м и М о н о в конце 50-х годов была разработана схема регу­ ляторн ы х механизмов клетки. Ими было показано, что включение целых комплексов рядом расположенны х локусов хромосомы, обе­ спечиваю щих синтез необходимых ферментов, регулируется осо­ быми участками хромосомы, такж е расположенными рядом. Эти локусы были названы операторами. Сами операторы не обеспечи­ вают синтеза полипептидов, но они влияю т на работу так назы ва­ емых «структурных генов». Система генов, находящ ихся под вли­ янием одного оператора, была н азван а опероном (см. рис. 101) .

В этой схеме принципиально важ но то, что предполагается нали­ чие в генотипе особых локусов, имеющих специальную регулятор­ ную функцию. Однако на ген-оператор вещ ества, индуцирующ ие синтез ферментов, действуют не непосредственно, а через другой локус хромосомы .

И зучение принципов регуляции активности генов в клетках организма только началось. Выяснено, что в этом процессе боль­ шую роль играю т гормоны. В опытах с кры сами показано, что активное упраж нение определенной конечности активирует син­ тез Р Н К в нервных кл етк ах, регулирую щ их движ ения этой конеч­ ности. Введение Р Н К из клеток определенного типа может н аправ­ ленно влиять на дифференцировку клеток в к у л ьтуре тканей .

Все это подводит нас к пониманию механизма действия генов при развитии организма и показы вает, что при различны х физиологи­ ческих состояниях клетки и организма активно функционирую т в разны х клетках и ткан ях различные локусы хромосом. Н а их активность влияю т другие гены, биохимические процессы, про­ исходящ ие в цитоплазме этой ж е клетки, а такж е и в других клетках и тканях организма. П оскольку активность гормонов, а такж е и других физиологически активных веществ находится в зависимости от условий внешней среды, ясно, что на активность отдельных генов оказы вает влияние и среда, в которой разви ва­ ется живой организм .

В заимоотнош ения генотипа и среды. Изложенные выше экспе­ риментально полученные факты ясно показы ваю т, что наследуют­ ся не признаки и свойства организм а, а способность к их формиро­ вании) н процессе индивидуального развития. В оплодотворенной яйцеклетке имеется лиш ь своеобразная «программа развития», заклю ченная в Д Н К, которая осущ ествляется при взаимодей­ ствии цитоплазмы и яд ра, клеток между собой и всего организма и окруж аю щ ей его среды. В развитии ряда организмов выявлены особые «чувствительные периоды», во время которы х'ф орм ирую ­ щ ийся признак легко реагирует на воздействия среды. Т ак, воз­ действуя па личинку дрозофилы в разные периоды ее развития ионизирующими излучениями или некоторыми химическими сое­ динениями, удается получать до 100 ?о мух с недоразвитыми гл а­ зам и, или с редуцированными кры льям и, или с измененной окрас­ кой. Эти изменения получили название морфозов. Но передадутся ли эти изменения по наследству?

Применяемые воздействия, изменяя развитие признака, не изменяют структуру Д Н К. Возможно, что под влиянием некото­ рых внешних факторов изменится Д Н К, тогда произойдет мута­ ция. Но она коснется развития совсем иного п ризн ака, посколь­ ку при изменении оснований в Д Н К может наруш иться синтез совсем иного фермента, не того, который был инактивирован при воздействии на какой-либо орган на определенном этапе его разви­ тия. Совпадения настолько маловероятны, что их можно не прини­ мать во внимание. Т ак реш ается на современном уровне проблема «наследования приобретенных признаков». Все признаки организма приобретаю тся им в процессе развития в определенных условиях внешней среды .

Н а развитие некоторых признаков среда влияет сильнее, д р у ­ гих — слабее; одни организмы более пластичны, другие — менее .

Примером высокoii пластичности могут служ ить «земноводные»

растения, в частности стрелолист S ag itta ria sag ittaefo lia, часто

–  –  –

Н асл едств ен н ость у человека и задач и м еди ци н ск ой ген ети ки .

Замечательны е откры тия в области молекулярной генетики у к а­ зываю т на единство основных закономерностей, составляю щ их основу ж изни .

Д о казан о, что материальной основой наследственной информа­ ции у живых организмов являю тся нуклеиновы е кислоты .

П оскольку в основе всех жизненных процессов леж ит боль­ шое количество различны х специфических белков, весьма суще­ ственно раскры тие механизма синтеза белков и роли в этом про­ цессе Д Н К и различны х Р Н К и, наконец, выяснение природы гена, раскры тие генетического кода, определяющего порядок размещ ения 20 аминокислот в слож ной полипептидной молекуле .

Все это необходимо учесть при рассмотрении вопроса о на­ следственности у человека .

Особенно ярко сила наследственности у человека обнаруж и­ вается при изучении близнецов. Существует два типа близне­ цов: ^однояйцевые и разнояйцевы е. Разнояйцевы е (в случае рож ­ дения двойни их назы ваю т двуяйцевыми) рождаю тся в том слу­ чае, если у женщ ин одновременно созревает не одна, а две (или больше) яйцевые клетки .

Д вуяйцевы е близнецы могут быть разнополыми (мальчик и девочка) или оба м альчика, или обе девочки.

При анализе большого числа случаев обнаруж иваю тся менделевские отношения:

50% — мальчики и девочки; 25% — оба мальчики и 25% — обе девочки. Сходство между двуяйцевы ми близнецами обычно не больше, чем сходство между братьями и сестрами .

Совершенно другую картину представляю т собой однояйце­ вые близнецы. П ричиной их появления является ненормальное развитие оплодотворенного яйца при первом делении. П ри деле­ нии яйца на два бластомера клетки отделяю тся одна от другой и из каждого бластомера развивается нормальны й зародыш .

К аж ды й из двух бластомеров получает полный диплоидный набор хромосом и цитоплазму, богатую находящ имися в ней ну­ клеиновыми кислотами, основаниями, необходимыми д ля быстро­ го деления клеток зародыш а в качестве строительного материала д л я процессов ауторепродукции Д Н К и других синтезов .

Однояйцевые близ­ нецы всегда одного по­ ла: либо м альчики, либо девочки .

Внешне по всем признакам однояйцевые близнецы обнаруж и ва­ ют поразительное еходство (см. рис. 105) .

Они почти неотличи­ мы д руг от друга, и это сходство сохраняется ча­ сто настолько, что даже родители отличают их с трудом .

Следует помнить, что нормально однояйцевые близнецы так ж е, к а к и все люди, не отягченные наследственными дефектами, во многих миллиардах клеток тела имеют нормальны й диплоид­ ный набор хромосом, обеспечивающий нормальное развитие от зародыш а до взрослого состояния .

П оразительное сходство наблю дается между однояйцевыми близнецами не только по внешности и однополости, но и по пси­ хическим и физиологическим признакам. Т ак, часто обнаруж ива­ ется сходство в профессии, в привы чках, в одежде и т. д. Есть не­ мало примеров, когда у близнецов, разлученны х с детства, не утрачиваю тся признаки сходства. Из физиологических черт сход­ ства однояйцевых близнецов можно ук азать на одинаковую устой­ чивость к различным заболеваниям. Т ак, например, известно, что некоторые люди обладают по своей наследственной конститу­ ции предрасположением к некоторым инфекционным заболева­ ниям, например к туберкулезу. То же обнаруж ивается и у одно­ яйцевых близнецов. Некоторые инфекционные заболевания у близнецов протекаю т сходно. С другой стороны, если однояйце­ вые близнецы обнаруж иваю т какое-либо наследственное заболе­ вание, например шизофрению, слабоумие в той или иной форме, то они в равной степени п роявятся у обоих близнецов, поскольку они получили одинаковые (сестринские) наборы хромосом .

Исследование однояйцевых и разнояйцевы х близнецов ведет­ ся уж е довольно давно, и по этой проблеме имеется больш ая ли­ тература на основании исследования тысяч двоен. Эти исследо­ вания позволяю т сделать существенные выводы. Особенности однояйцевых близнецов убедительно показы ваю т ведущее зна­ чение наследственных факторов, с одной стороны, а с другой — позволяю т исследовать роль и значение факторов среды. Не­ малое значение имеют эти исследования и д л я изучения наслед­ ственных болезней человека .

Есть основание полагать, что способность женщ ины рож ать однояйцевых близнецов такж е наследуется. Н ам известны слу­ чаи, когда у двух сестер (однояйцевых близнецов) в свою очередь у каж дой родились однояйцевые близнецы .

У человека известно очень много болезней наследственного характера. Насчитываю т до 1500 различны х наследственных ано­ малий, из которых во всяком случае около 500 представляю т собой более или менее серьезные заболевания .

К наследственным относятся психические, часто очень серь­ езные болезни, например: ш изофрения, маниакально-депрессив­ ный психоз, различные формы слабоумия, идиотия, эпилепсия и др.

Значительное число наследственных болезней заклю чается в наруш ении нормального обмена веществ, что связано с н аруш е­ ниями в синтезе тех или иных ферментов или гормонов, например:

диабет, связанны й с нарушением синтеза инсулина, заболевания щитовидной железы и многие другие болезни. В чем же заклю ­ чается причина тех или иных наследственных заболеваний?

В настоящ ее время в связи с развитием м олекулярной генети­ ки становятся ясными те м олекулярны е процессы, наруш ение которых приводит к изменениям в наследственной информации .

*1. Возникновение различны х мутационных изменений в Д Н К, заключаю щ ееся в изменении отдельных оснований (выпадение, нарушение п орядка в располож ении оснований и т. п.) .

2. Н аруш ения в связи с этим процесса синтеза белков. Они могут заклю чаться в замене или выпадении отдельных аминокис­ лот из полипептидной цепи белковой молекулы, в связи с чем иног­ да прекращ ается синтез одного из ферментов, или гормонов, иногда синтезируется белок, лиш енный ферментативной активности .

Выше было у казан о, что тяж елое заболевание — серповидно­ клеточная анемия зависит от замены в молекуле гемоглобина од­ ной из 600 аминокислот. П ри сахарном диабете вовсе прекращ а­ ется выделение инсулина, необходимого д л я нормального угле­ водного обмена. В том и другом случае наруш ается функция части генетического кода — происходят наруш ения в тех или иных триплетах .

3. Д овольно часто причиной появления у человека различ­ ного рода аномалий, приводящ их к серьезным отклонениям от нормы, служ ат изменения в нормальном наборе хромосом, а именно наличие лиш ней (третьей) хромосомы какой-либо пары .

Н иж е мы остановим внимание на конкретном примере этого рода аномалий .

Н аследств ен н ы е и зм ен ен и я и и х ф ен отип и ч еск ое проявление .

Больш ое значение для борьбы с наследственными болезнями, для предупреж дения их развития имеет время обнаруж ения симп­ томов заболевания .

Симптомы ряда очень тяж елы х психических заболеваний (маниакально-депрессивного психоза, шизофрении и др.) можно обнаруж ить уж е у новорожденного.

Считают, что частота рож де­ ния младенцев с тяж елой формой шизофрении составляет 1 :

: 1000, а с маниакально-депрессивным психозом 1 : 1500 ново­ рожденных. В некоторых случаях детей с врожденным слабоуми­ ем рож дается более 0,4 %. П ричиной рож дения слепых детей при­ мерно в 50% случаев явл яется наследственность. Однако не всег­ да то или иное наследственное заболевание бывает выражено у новорожденных в тяж елой форме .

Т ак, например, ш изофрения у новорожденных может не обна­ руж и ваться и развивается в той или иной степени с возрастом .

В ряде случаев эта болезнь может быть вы раж ена слабо. Это на­ ходится в связи с общим состоянием организма, наличием инфек­ ционных и других заболеваний, условий ж изни .

Подобного рода зависимость развития болезни от условий наблю дается и при некоторых других заболеваниях, например эпилепсии, которая иногда может быть вы раж ена в столь слабой форме, что у больного наблюдаю тся только частые мигрени .

Следует отметить такж е зависимость большего или меньшего раз­ вития болезни от внешних условий при гипертонии, атеросклеро­ зе и других болезнях. Эти особенности некоторых наследственных болезней учитываю тся современной медициной в направлейии своевременного диагноза, лечения и создания благоприятны х условий ж изни .

Рассмотрим более подроб­ но некоторые очень серьез­ и п ные наследственные болезни, связанны е с м олекулярны ми XX XX или хромосомными н аруш е­ п .

ниями, вызывающими их .

Рассмотрим тяж елую бо­ XX лезнь новорож денны х, из­ м XX XXX вестную под названием феXXX нилкетонурии .

Б олезнь вы раж ается в

XX XX XX XX

умственной отсталости и об­ 9 10 11 - 12 наруж ивается у новорожден­ АЛ ных наличием фенилпировйЛЛ 13 /4 ноградной кислоты в моче .

Эта болезнь связана с н ару­

АХ XX XX

шением синтеза необходимого фермента, окисляю щ его ами­ Я»

Xк ЛА лл нокислоту ф енилаланин в 19 20 21 тирозин; ф енилаланин окис­ ляется затем у больного в Рис. 106. Хромосомный комплекс (жен­ фенилпировиноградную кис­ щины), содержащий лишнюю Х-хромосому, трпсомия по X -хромосоме — ком­ лоту. Б олезнь вы звана рецес­ плекс X X X. сивной мутацией и п р о я в л я ­ ется у гомозиготных рецессивов. В настоящ ее время болезнь иоддается лечению. Д л я этого прежде всего необходим ранний диагноз — обнаруж ение в моче фенилпировиноградной кислоты .

В родильных домах делаю т теперь такие анализы .



Pages:   || 2 |



Похожие работы:

«Вып. 5: Экологическое управление: мировой опыт 1 Межгосударственная координационная водохозяйственная комиссия Центральной Азии (МКВК) Канадское агентство международного развития (CIDA) Университет МакГилл Центр Брейса по управлению водными ресурсами Информационно-консультационный центр по 6 Рам...»

«37 СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ: ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ КЛЕТОЧНОЙ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ ВЛИЯНИЕ КОМПОНЕНТОВ ВНЕКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА НА КЛОНАЛЬНЫЙ РОСТ И ОСТЕОГЕННУЮ ДИФФЕРЕНЦИРОВКУ МЕЗЕНХИМНЫХ СТРОМАЛЬНЫХ КЛЕТОК КРЫСЫ О.Н. Хныкова, О.В. Паюшина, Н.Н....»

«153 И.С. Чалых ПОНЯТИЕ, СТРУКТУРА И ЮРИДИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ СУБЪЕКТИВНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРАВ В настоящее время экологическая составляющая стала одним из приоритетных направлений в жизнедеятельности общества и государства. Это обусловлено, в частности, переходом к глоб...»

«Мониторинг материалов печатных и электронных СМИ по темам ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ Исполнитель: ООО "Новое время"Дата предоставления: 27.06.2014 г. Москва, июнь 2014 ИА "Новое время". Мониторинг СМИ.Оглавление мо...»

«КОЛБИН Константин Геннадьевич РАЗМНОЖЕНИЕ И РАЗВИТИЕ НЕКОТОРЫХ МАССОВЫХ ВИДОВ ПЕРЕДНЕЖАБЕРНЫХ БРЮХОНОГИХ МОЛЛЮСКОВ ЗАЛИВА ПЕТРА ВЕЛИКОГО ЯПОНСКОГО МОРЯ 03.03.05 – биология развития, эмбриология 03.02.04 – зоология Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Владивосток – 2010   Работа вы...»

«ROLE OF ULTRA-HIGH FREQUENCY ELECTROMAGNETIC FIELD (UNF EMF) IN CORRECTION OF ADAPTATION REACTIONS IN ATHLETES OF DIFFERENT SPECIALIZATIONS Grabovskaya E., Nazar M. Taurida National University by V.I. Ver...»

«ЗАМОРИНА Светлана Анатольевна МЕХАНИЗМЫ ИММУНОМОДУЛИРУЮЩЕЙ АКТИВНОСТИ ХОРИОНИЧЕСКОГО ГОНАДОТРОПИНА 14.03.09 – клиническая иммунология, аллергология (биологические науки) Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических н...»

«Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Московский физико-технический институт (государственный университет) Физтех-школа прикладной математики и информатики Факультет управл...»

«Накопление хрома и селена ISSN 0868-854 (Print) ISSN 2413-5984 (Online). Аlgologia. 2017, 27(4): 415—425 doi: 10.15407/alg27.04.415 УДК 577:582.263:[546.763+546.23] ЛУКАШИВ О.Я., БОДНАР О.И., ВИНЯРСКАЯ Г.Б., ГРУБИНКО В.В. Тернопольский национальный пед. ун-т им. Владимира Гнатюка, каф. общей биологии и методики о...»

«УДК 615.038 ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛИПОГЕЛЯ (1% ГЕЛЯ ТИОКТОВОЙ КИСЛОТЫ) ДЛЯ ТОПИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ РЕВМАТОИДНОГО АРТРИТА Залялютдинова Л.Н.1, Анисимов А.Н.2, Иманаева А.Я.2, Цыплаков Д.Э.1, Гайнетдинова А.Н.1 ГБОУ ВПО "Казанский ГМУ" Минздрава России, Казань, Россия (420012, К...»

«Черных Алексей Анатольевич ВОЗДЕЙСТВИЕ ОСТРОЙ ВЫРАЖЕННОЙ НОРМОБАРИЧЕСКОЙ ГИПОКСИИ НА УРОВНИ СВОБОДНЫХ АМИНОКИСЛОТ ПЛАЗМЫ КРОВИ ЧЕЛОВЕКА 03.03.01 физиология Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель: доктор...»

«ПАРАЗИТОЛОГИЯ, VII, 1, 1973 УДК 576.89S.422' НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗМНОЖЕНИЯ И ПЕРЕЖИВАНИЯ РИККЕТСИЙ ПРОВАЧЕКА В АРГАСОВЫХ КЛЕЩАХ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ИХ ЗАРАЖЕНИИ В. Ф. Игнатович и И. М. Гроховская Институт эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф...»

«ПРИМЕЧАНИя Гл А ВА 1 1. Robert Krulwich, "Born Wet, Human Babies Are 75 Percent Water. Then Comes the Drying", 26 November 2013, http://www.npr.org/blogs/ krulwich/2013/11/25/247212488/born-wet-human-babies-are-75-percentwater-then-comes-...»

«СЛУЖБА ВЕТЕРИНАРИИ ИВАНОВСКОЙ ОБЛАСТИ ПРИКАЗ от " С '7 2016 г. № '/ ^ / у iy г. Иваново Об установлении ограничительных мероприятий (карантина) по ньюкаслской болезни птиц на территории личного подсобного хозяйства гр. Смирнова B.JI. В соответствии со ст. 17 Закона Российской Федерации от 14.05.1993 № 4979-1 "О ветеринарии", указом Губерн...»

«Ф Е Д Е Р А Л ЬН А Я С Л У Ж Б А ПО Н А Д ЗО Р У В С Ф ЕРЕ П Р И Р О Д О П О Л Ь З О В А Н И Я УТВЕРЖДАЮ Директор ФБУ "Федеральный центр КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА И ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИ...»

«ACTA PROTOZOOLOGICA VOL. VIII WARSZAWA, 1.VII.1970 FASC. 3 Кафедра зоологии беспозвоночных Московского государственного университета, Москва В-234, С С С Р Chair of Invertebrate Z o o l o g y, U n i v e r s i t y o f M o s c o w. M o s c o w V-234, U. S. S. R. И. В. БУРКОВСКИЙ...»

«Лекция 2 Эйкозаноиды и их функция Эйкозаноиды В середине 30-х годов 20 века шведский ученый Эйлер (V. Euler) обнаружил в экстракте из предстательной железы (простаты) биологически активные вещества, которые он назвал простагландинами (PG). Позже было установлено, что простагландины о...»

«Фармацевтический рынок РОССИИ Выпуск: февраль 2015 розничный аудит фармацевтического рынка РФ – февраль 2015 события фармацевтического рынка – март 2015 Информация основана на данных розничного аудита фармацевтического рынка РФ DSM Group, сист...»

«Экологический маршрут по территории историко-культурного природно-ландшафтного музея-заповедника "Усадьба Худекова" Маршрут Название Протяже Историческая значимость экологического маршрута Экологическая нность обстановка на маршруте Рязанская Экологический 2 км Музей-заповедник "Усадьба С. Н. Худекова" – это Требует область, маршрут по м...»

«BY9800132 МИНИСТЕРСТВО ПО ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ КОМИССИЯ ПАРЛАМЕНТСКОГО СОБРАНИЯ СОЮЗА БЕЛАРУСИ И РОССИИ ПО ВОПРОСАМ ЭКОЛОГИИ, ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ ИНСТИТУТ РАДИОБИОЛОГИИ НАН БЕЛАРУСИ МЕДИЦИ...»

«Кулумаева Н. Я.ХАРАКТЕРИСТИКА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА РХ ПО СИСТЕМАМ ГРУПП КРОВИ Адрес статьи: www.gramota.net/materials/1/2008/5/34.html Статья опубликована в авторской редакции и отражает точку зрения автора(ов) по рассматриваемому вопросу. Источник Альманах современной науки и образования Тамбов...»




 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.