19

2

Зміст

Введення

1. Природа генів

2. Дослідження Менделя

2.1 Спадкоємство при моногібридному схрещуванні і закон розщеплювання

2.2 Поворотне, або що аналізує, схрещування

2.3 Дігибрідне схрещування і закон незалежного розподілу

2.4 Короткий виклад суті гіпотез Менделя

3. Хромосомна теорія спадковості

4. Зчеплення

5. Групи зчеплення і хромосоми

5.1 Гігантські хромосоми і гени

6. Визначення підлоги

6.1 Спадкоємство пов'язане з підлогою

7. Взаємодія між генами

7.1 Неповне домінування

7.2 Летальні гени

7.3 Епістаз

7.4 Полігенне спадкоємство

8. Мінливість

8.1 Дискретна мінливість

8.2 Безперервна мінливість

8.3 Вплив середовища

8.4 Джерела мінливості

9. Мутації

9.1 Генні мутації

9.2 Значення мутацій

10. Роль генів в розвитку



Введення

Генетика по праву може вважатися одній з найважливіших областей біології. Впродовж тисячоліть людина користувалася генетичними методами для поліпшення домашніх тварин і оброблюваних рослин, не маючи уявлення про механізми, лежачі в основі цих методів. Судячи по різноманітних археологічних даних, вже 6000 років тому люди розуміли, що деякі фізичні ознаки можуть передаватися від одного покоління іншому. Відбираючи певні організми з природних популяцій і схрещуючи їх між собою, людина створювала покращені сорти рослин і породи тварин, що володіли потрібними йому властивостями.

Проте лише на початку XX в. учені почали усвідомлювати повною мірою важливість законів спадковості і її механізмів. Хоча успіхи мікроскопії дозволили встановити, що спадкові ознаки передаються з покоління в покоління через сперматозоїдів і яйцеклітини, залишалося неясним, яким чином найдрібніші частинки протоплазми можуть нести в собі «завдатки» тієї величезної безлічі ознак, з яких складається кожен окремий організм.

Перший дійсно науковий крок вперед у вивченні спадковості був зроблений австрійським ченцем Грегором Менделем, який в 1866 р. опублікував статтю, що заклала основи сучасної генетики. Мендель показав, що спадкові завдатки не змішуються, а передаються від батьків нащадкам у вигляді дискретних (відособлених) одиниць. Ці одиниці, представлені у особин парами, залишаються дискретними і передаються подальшим поколінням в чоловічих і жіночих гаметах, кожна з яких містить по одній одиниці з кожної пари. У 1909 р. данський ботанік Іогансен назвав ці одиниці «генами», а в 1912 р. американський генетик Морган показав, що вони знаходяться в хромосомах. З тих пір генетика досягла великих успіхів в поясненні природи спадковості і на рівні організму, і на рівні гена.



Природа генів

Вивчення спадковості вже давно було пов'язане з кончиною про її корпускулярну природу. У 1866 р. Мендель висловив припущення, що ознаки організмів визначаються успадкованими одиницями, які він назвав “елементами”. Пізніше за їх сталь називати “чинниками” і, нарешті, генами; було показано, що гени знаходяться в хромосомах, з якими вони і передаються від одного покоління до іншого.

Не дивлячись на те, що вже багато що відоме про хромосоми і структуру ДНК, дати визначення гена дуже важко, поки вдалося сформулювати тільки три можливі визначення гена:

а) ген як одиниця рекомбінації.

На підставі своїх робіт по побудові хромосомних карт дрозофіли Морган постулював, що ген - це найменша ділянка хромосоми, яка може бути відокремлений від ділянок, що примикають до нього, в результаті кросинговеру. Згідно цьому визначенню, ген є крупною одиницею, специфічною областю хромосоми, що визначає ту або іншу ознаку організму;

б) ген як одиниця мутації.

В результаті вивчення природи мутацій було встановлено, що зміни ознак виникають унаслідок випадкових спонтанних змін в структурі хромосоми, в послідовності підстав або навіть в одній підставі. У цьому сенсі можна було сказати, що ген - це одна пара компліментарних підстав в нуклеотидній послідовності ДНК, тобто найменша ділянка хромосоми, здатна зазнати мутацію.

в) ген як одиниця функції.

Оскільки було відомо, що від генів залежать структурні, фізіологічні і біохімічні ознаки організмів, було запропоновано визначати ген як найменшу ділянку хромосоми, що обумовлює синтез певного продукту.



2. Дослідження Менделя

Грегор Мендель народився в Моравії в 1822 р. У 1843 р. він поступив в монастир августинців в Брюніє (нині Брно, Чехословаччина), де прийняв духовний сан. Пізніше він відправився до Відня, де провів два роки, вивчаючи в університеті природну історію і математику, після чого в 1853 р. повернувся в монастир. Такий вибір предметів, поза сумнівом, зробив істотний вплив на його подальші роботи по спадкоємству ознак у гороху. Будучи у Відні, Мендель зацікавився процесом гібридизації рослин і, зокрема, різними типами гібридних нащадків і їх статистичними співвідношеннями. Ці проблеми і з'явилися предметом наукових досліджень Менделя, які він почав літом 1856 р.

Успіхи, досягнуті Менделем, частково обумовлені вдалим вибором об'єкту для експериментів - гороху городнього (Рisum sativum). Мендель упевнився, що в порівнянні з іншими цей вигляд володіє наступними перевагами:

1) є багато сортів, ознак, що чітко розрізняються по ряду;

2) рослини легко вирощувати;

3) репродуктивні органи повністю прикриті пелюстками, так що рослина зазвичай самозапилюється; тому його сорти розмножуються в чистоті, тобто їх ознаки з покоління в покоління залишаються незмінними;

4) можливе штучне схрещування сортів, і воно дає цілком плодовитих гібридів. З 34 сортів гороху Мендель відібрав 22 сорти, що володіють чітко вираженими відмінностями по ряду ознак, і використовував їх в своїх дослідах з схрещуванням. Менделя цікавили сім головних ознак: висота стебла, форма насіння, забарвлення насіння, форма і забарвлення плодів, розташування і забарвлення квіток.

І до Менделя багато учених проводили подібні експерименти на рослинах, але жоден з них не отримав таких точних і докладних даних; крім того, вони не змогли пояснити свої результати з погляду механізму спадковості. Моменти, що забезпечили Менделеві успіх, слід визнати необхідними умовами проведення всякого наукового дослідження і прийняти їх як зразок. Умови ці можна сформулювати таким чином:

1) проведення попередніх досліджень для ознайомлення з експериментальним об'єктом;

2) ретельне планування всіх експериментів, з тим щоб всякий раз увага була зосереджена на одній змінній, що спрощує спостереження;

3) строге дотримання всіх методик, з тим щоб виключити можливість введення змінних, що спотворюють результати (подробиці див. нижчі);

4) точна реєстрація всіх експериментів і запис всіх отриманих результатів;

5) отримання достатньої кількості даних, щоб їх можна було рахувати статистично достовірними.

Як писав Мендель, «достовірність і корисність всякого експерименту визначаються придатністю даного матеріалу для тих цілей, в яких він використовується».

Слідує, проте, відзначити, що у виборі експериментального об'єкту Менделеві де в чому і просто повезло: у спадкоємстві відібраних ним ознак не було ряду складніших особливостей, відкритих пізніше, таких як неповне домінування, залежність більш ніж від однієї пари генів, зчеплення генів.

2.1 Спадкоємство при моно гібридному схрещуванні і закон розщеплювання

Для своїх перших експериментів Мендель вибирав рослини двох сортів, що чітко розрізнялися за якою-небудь ознакою, наприклад по розташуванню квіток: квітки можуть бути розподілені по всьому стеблу (пазухи) або знаходитися на кінці стебла (верхівкові). Рослини, що розрізняються по одній парі альтернативних ознак, Мендель вирощував впродовж ряду поколінь. Насіння від квіток пазух завжди давало рослини з квітками пазух, а насіння від верхівкових квітів - рослини з верхівковими квітками. Таким чином, Мендель переконався, що вибрані ним рослини розмножуються в чистоті (тобто без розщеплювання потомства) і придатні для проведення дослідів по гібридизації (експериментальних схрещувань).

Його метод полягав в наступному: він видаляв у ряду рослин одного сорту пильовики до того, як могло відбутися самозапилення (ці рослини Мендель називав «жіночими»); користуючись пензликом, він наносив на рильця цих «жіночих» квіток пилок з пильовиків рослини іншого сорту; потім він надягав на штучно обпилені квітки маленькі ковпачки, щоб на їх рильця не міг потрапити пилок з інших рослин. Мендель проводив реципрокні схрещування - переносив пилкові зерна як з квіток пазух на верхівкові, так і з верхівкових на пазухи. У всіх випадках з насіння, зібраного від отриманих гібридів, зростали рослини з квітками пазух. Цей признак - «пазушні квітки», - простежуваний у рослин першого гібридного покоління, Мендель назвав домінантним; пізніше, в 1902 р., Бетсон і Сондерс почали позначати перше покоління гібридного потомства символом F1_. Ні у однієї з рослин F1 не було верхівкових квіток.

Мендель провів ряд аналогічних досліджень, використовуючи кожного разу одну пару альтернативних ознак Результати експериментальних схрещувань по семи парам таких ознак приведені в табл. 1.

Таблиця 1. Результати експериментів Менделя по спадкоємству семи пар альтернативних ознак. (Спостережуване співвідношення домінантних і рецесивних ознак наближається до теоретично очікуваному 3 : 1).

Ознака	Батьківські рослини	Покоління F2	Відношення
	Домінантна ознака	Рецесивна ознака	Домінантні	Рецесивні
Висота стебла	Високий	Низький	787	277	2,84:1
Насіння	Гладкі	Зморшкуваті	5474	1850	2,96:1
Забарвлення насіння	Жовті	Зелені	6022	2001	3,01:1
Форма плодів	Плоскі	Опуклі	882	299	2,95:1
Забарвлення плодів	Зелені	Жовті	428	152	2,82:1
Положення квіток	Пазухи	Верхівкові	621	207	3,14:1
Забарвлення квіток	Червоні	Білі	705	224	3,15:1
Разом			14949	5010	2,98:1

У всіх випадках аналіз результатів показав, що відношення домінантних ознак до рецесивних в поколінні F2 складало приблизно 3 : 1.

Приведений вище приклад типовий для всіх експериментів Менделя, в яких вивчалося спадкоємство однієї ознаки (моногібридні схрещування).

На підставі цих і аналогічних результатів Мендель зробив наступні виводи:

1. Оскільки початкові батьківські сорти розмножувалися в чистоті (не розщеплювалися), у сорту з квітками пазух повинні бути два чинники «пазух», а у сорту з верхівковими квітками - два «верхівкові» чинники.

2. Рослини F1 містили але одному чиннику, отриманому від кожної з батьківських рослин через гамети.

3. Ці чинники в F1 не зливаються, а зберігають свою індивідуальність.

4. Чинник «пазухи» домінує над «верхівковим» чинником, який рецесивний. Розділення пари батьківських чинників при утворенні гамет (отже в кожну гамету потрапляє лише один з них) відоме під назвою першого закону Менделя, або закону розщеплювання. Згідно цьому закону, ознаки даного організму детермінуються парами внутрішніх чинників. У одній гаметі може бути представлений лише один з кожної пари таких чинників.

Тепер ми знаємо, що ці чинники, що детермінують такі ознаки, як розташування квітки, відповідають ділянкам хромосоми, званим генами.

Описані вище експерименти, що проводилися Менделем при вивченні спадкоємства однієї пари альтернативних ознак, служать прикладом моногібридного схрещування.



2.2 Поворотне, або що аналізує, схрещування

Організм з покоління F1, отриманого від схрещування між гомозиготною домінантною і гомозиготною рецесивною особинами, гетерозиготний по своєму генотипу, але володіє домінантним фенотипом. Для того, щоб виявився рецесивний фенотип, організм повинен бути гомозиготним по рецесивному алелю. У поколінні F2 особини з домінантним фенотипом можуть бути як гомозиготами, таки гетерозиготами. Якщо селекціонерові знадобилося з'ясувати генотип такої особини, то єдиним способом, що дозволяє зробити це, служить експеримент з використанням методу, званого аналізуючим (поворотним) схрещуванням. Схрещуючи організм невідомого генотипу з організмом, гомозиготним по рецесивному алелю гена, що вивчається, можна визначити цей генотип шляхом одного схрещування. Наприклад, у плодової мушки Drosophila довгі крила домінують над зачатковими. Особина з довгими крилами може бути гомозиготною (LL) або гетерозиготною (Ll). Для встановлення її генотипу треба провести аналізуюче схрещування між цією мухою і мухою, гомозиготною по рецесивному алелю (ll). Якщо у всіх нащадків від цього схрещування будуть довгі крила, то особина з невідомим генотипом - гомозигота по домінантному алелю. Чисельне співвідношення нащадків з довгими і із зачатковими крилами 1 : 1 указує на гетерозиготність особини з невідомим генотипом.

2.3 Дигібридне схрещування і закон незалежного розподілу

Встановивши можливість передбачати результати схрещувань по одній парі альтернативних ознак, Мендель перейшов до вивчення спадкоємства двох пар таких ознак. Схрещування між особинами, що розрізняються по двох ознаках, називають дигібридними.

У одному зі своїх експериментів Мендель використовував рослини гороху, що розрізняються формою і забарвленню насіння. Застосовуючи метод, описаний в розд. 2.1, він схрещував між собою чистосортні (гомозиготні) рослини з гладким жовтим насінням і чистосортні рослини із зморшкуватим зеленим насінням. У всіх рослин F1 (першого покоління гібридів) насіння було гладкі і жовті. За наслідками проведених раніше моногібридних схрещувань Мендель вже знав, що ці ознаки домінантні; тепер, проте, його цікавили характер і співвідношення насіння різних талів в поколінні F2, отриманому від рослин F1 шляхом самозапилення. Всього він зібрав від рослин F2 556 насіння, серед якого було

гладких жовтих 315

зморшкуватих жовтих 101

гладких зелених 108

зморшкуватих зелених 32

Співвідношення різних фенотипів складало приблизно 9: 3: 3: 1 (дигибридне розщеплювання). На підставі цих результатів Мендель зробив два виводи:

У поколінні F2 з'явилися два нові поєднання ознак: зморшкуваті і жовті; гладкі і зелені.

Для кожної пари алеломорфних ознак (фенотипів, визначуваних різними алелями) вийшло відношення 3 : 1, характерне для моногібридного схрещування - серед насіння було 423 гладких і 133 зморшкуватих, 416 жовтих і 140 зелених.

Ці результати дозволили Менделеві стверджувати, що дві пари ознак (форма і забарвлення насіння), спадкові завдатки яких об'єдналися в поколінні F1, в подальших поколіннях розділяються і поводяться незалежно одна від одної. На цьому заснований другий закон Менделя - принцип незалежного розподілу, згідно якому кожна ознака з однієї пари ознак може поєднуватися з будь-якою ознакою з іншої пари.



2.4 Короткий виклад суті гіпотез Менделя

Кожна ознака даного організму контролюється парою алелів.

Якщо організм містить два різних алеля для даної ознаки, то один з них (домінантний) може виявлятися, повністю пригнічуючи прояв іншого (рецесивного).

При мейозі кожна пара алелів розділяється (розщеплюється) і кожна гамета отримує по одному з кожної пари алелів (принцип розщеплювання).

При утворенні чоловічих і жіночих гамет в кожну з них може потрапити будь-який алель з однієї пари разом з будь-яким іншим з іншої пари (принцип незалежного розподілу).

Кожен алель передається з покоління в покоління як дискретна одиниця, що не змінюється.

Кожен організм успадковує по одному алелю (для кожної ознаки) від кожної з батьківських особин.



3. Хромосомна теорія спадковості

До кінця XIX в. в результаті підвищення оптичних якостей мікроскопів і вдосконалення цитологічних методів можливо почало спостерігати поведінку хромосом в гаметах і зиготах. Ще в 1875 р. Гертвіг звернув увагу на те, що при заплідненні яєць морського їжака відбувається злиття (двох ядер - ядра спермію і ядра яйцеклітини. У 1902 р. Бовері продемонстрував важливу роль ядра в (регуляції розвитку ознак організму, а в 1882 р. Флемінг описав поведінку хромосом під час митоза.

У 1900 р. закони Менделя були повторно відкриті і належним чином оцінені майже одночасно і незалежно один від одного трьома ученими - де Фризом, Корренсом і Чермаком. Корренс сформулював виводи Менделя в звичній нам формі двох законів і ввів термін «чинник», тоді як Мендель для опису одиниці спадковості користувався словом «елемент». Пізніше американець Уїльям Сеттон відмітив дивовижну схожість між поведінкою хромосом під час утворення гамет і запліднення і передачею спадкових чинників Менделя.

На підставі викладених вище за дані Сеттон і Бовері висловили думку, що хромосоми є носіями чинників Менделя, і сформулювали так звану хромосомну теорію спадковості. Згідно цієї теорії, кожна пара чинників локалізована в парі гомологічних хромосом, причому кожна хромосома несе по одному чиннику. Оскільки число ознак у будь-якого організму у багато разів більше числа його хромосом, видимих в мікроскоп, кожна хромосома повинна містити безліч чинників.

У 1909 р. Іогансен замінив термін чинник, що означав основну одиницю спадковості, терміном ген. Альтернативні форми гена, що визначають його прояв у фенотипі, назвали алелями. Алелі - це конкретні форми, якими може бути представлений ген, і вони займають одне і те ж місце - локус - в гомологічних хромосомах.



4. Зчеплення

Всі ситуації і приклади, що обговорювалися до цих пір, відносилися до спадкоємства генів, що знаходяться в різних хромосомах. Як з'ясували цитологи, у людини всі соматичні клітки містять по 46 хромосом. Оскільки людина володіє тисячами різних ознак - таких, наприклад, як група крові, колір очей, здатність секретувати інсулін, - в кожній хромосомі повинне знаходитися велике число генів.

Гени, лежачі в одній і тій же хромосомі, називають зчепленими. Всі гени який-небудь однієї хромосоми утворюють групу зчеплення; вони зазвичай потрапляють в одну гамету і успадковуються разом. Таким чином, гени, що належать до однієї групи зчеплення, зазвичай не підкоряються принципу Менделя незалежного розподілу. Тому при дигібридному схрещуванні вони не дають очікуваного відношення 9:3:3:1. У таких випадках виходять найрізноманітніші співвідношення. У дрозофіли гени, контролюючі забарвлення тіла і довжину крила, представлені наступними парами алелів (назвемо відповідні ознаки): сіре тіло - чорне тіло, довгі крила - зачаткові (короткі) крила. Сіре тіло і довгі крила домінують. Очікуване відношення фенотипів в F2 від схрещування між гомозиготою з сірим тілом і довгими крилами і гомозиготою з чорним тілом і зачатковими крилами повинно скласти 9: 3: 3: 1. Це указувало б на звичайне спадкоємство Менделя при дигибридному схрещуванні, обумовлене випадковим розподілом генів, що знаходяться в різних, негомологічних хромосомах. Проте замість цього в F2 були отримані в основному батьківські фенотипи відносно зразкового 3: 1. Це можна пояснити, припустивши, що гени забарвлення тіла і довжини крила локалізовані в одній і тій же хромосомі, тобто зчеплені.

Практично, проте, співвідношення 3:1 ніколи не спостерігається, а виникають всі чотири фенотипу. Це пояснюється тим, що колюче зчеплення зустрічається рідко. У більшості експериментів по схрещуванню за наявності зчеплення крім мух з батьківськими фенотипами виявляються особини з новими поєднаннями ознак. Ці нові фенотипи називають рекомбінантними. Все це дозволяє дати наступне визначення зчеплення: два або більш за гени називають зчепленими, якщо нащадки з новими генними комбінаціями (рекомбінанти) зустрічаються рідше, ніж батьківські фенотипи.



5. Групи зчеплення і хромосоми

Генетичні дослідження, що проводилися на початку нашого століття, в основному були направлені на з'ясування ролі генів в передачі ознак. Роботи Моргана з плодовою мушкою Drosophila melanogaster показали, що більшість фенотипічних ознак об'єднана у неї в чотири групи зчеплення і ознаки кожної групи успадковуються спільно. Було відмічено, що число груп зчеплення відповідає числу пар хромосом.

Вивчення інших організмів привело до схожих результатів. При експериментальному схрещуванні різноманітних організмів виявилося, що деякі групи зчеплення більше інших (тобто в них більше генів). Вивчення хромосом цих організмів показало, що вони мають різну довжину. Морган довів наявність чіткого зв'язку між цими спостереженнями. Вони послужили додатковими підтвердженнями локалізації генів в хромосомах.

5.1 Гігантські хромосоми і гени

У 1913 р. Стертевант почав свою роботу по картируванню положення генів в хромосомах дрозофіли, в це було за 21 рік до того, як з'явилася можливість пов'язати помітні в хромосомах структури з генами. У 1934 р. було відмічено, що в клітках слинних залоз дрозофіли хромосоми приблизно в 100 разів більше, ніж в інших соматичних клітках. По якихось причинах ці хромосоми багато разів подвоюються, але не відділяються один від одного, до тих пір, поки їх не набереться декілька тисяч, лежачих пліч-о-пліч. Забарвивши хромосоми і вивчаючи їх за допомогою світлового мікроскопа, можна побачити, що вони складаються зі світлих і темних поперечних смуг, що чергуються. Для кожної хромосоми характерний свій особливий малюнок смуг. Спочатку припускали, що цими смугами є гени, але виявилось, що справа йде не так просто. У дрозофіли можна штучним шляхом викликати різні фенотипічні аномалії, які супроводжуються певними змінами в малюнку поперечних смуг, видимих під мікроскопом. Ці фенотипічні і хромосомні аномалії корелюють у свою чергу з генними локусами. Це дозволяє зробити вивід, що смуги на хромосомах дійсно якось пов'язані з генами, але взаємини між тими і іншими залишаються поки неясними.



6. Визначення підлоги

Малюнок 1. Хромосомні набори самця і самки D. melanogaster. Вони складаються з чотирьох пар хромосом (пара I - статеві хромосоми).

Малюнок 2. Вид статевих хромосом людини в метафазі митоза.

Особливо чітким прикладом описаного вище методу встановлення залежності між фенотипічними ознаками організмів і будовою їх хромосом служить визначення підлоги. У дрозофіли фенотипічні відмінності між двома підлогами явно пов'язані з відмінностями в хромосомах (мал. 1). При вивченні хромосом у самців і самок ряду тварин між ними були виявлені деякі відмінності. Як у чоловічих, так і у жіночих особин у всіх клітках є пари однакових (гомологічних) хромосом, але по одній парі хромосом вони розрізняються. Це валові хромосоми (гетеросоми). Решта всіх хромосом називає аутосомами. Як можна бачити на мал. 1, у дрозофіли чотири пари хромосом. Три пари (II, III і IV) ідентичні у обох полови, але пара I, що складається з ідентичних хромосом у самки, розрізняється у самця. Ці хромосоми називають X - і Y - хромосомами; генотип самки XX, а самця - XY. Такі відмінності по статевих хромосомах характерні для більшості тварин, зокрема для людини (мал. 1), але у птахів (включаючи кури) і у метеликів спостерігається зворотна картина: у самок є хромосоми XY, а у самців - XX. У деяких комах, наприклад у прямокрилих, Y - хромосоми немає зовсім, так що самець має генотип ХО.

При гаметогенезі спостерігається типове розщеплювання Менделя по статевих хромосомах. Наприклад, у ссавців кожне яйце містить одну Х - хромосому, половина сперміїв - одну X - хромосому, а інша половина - одну Y - хромосому. Пів нащадка залежить від того, який спермій запліднить яйцеклітину. Пів з генотипом XX називають гомогаметним, оскільки у нього утворюються однакові гамети, що містять тільки Х, - хромосоми, а пів з генотипом XY - гетерогаметним, оскільки половина гамет містить X-, а половина - Y - хромосому. У людини генотипічну підлогу даного індивідуума визначають, вивчаючи клітки, що не діляться. Одна Х - хромосома завжди опиняється в активному стані і має звичайний вигляд. Інша, якщо вона є, буває в стані, що покоїться, у вигляді щільного темно - забарвленого тельця, званого тільцем Барра. Число тілець Барра завжди на одиницю менше числа готівки Х - хромосом, тобто у самця (XY) їх немає зовсім, а у самки (ХХ) - тільки одне. Функція Y - хромосоми, очевидно, варіює залежно від вигляду. У людини Y - хромосома контролює диференціювання сіменників, яке надалі впливає на розвиток статевих органів і чоловічих ознак. У більшості організмів, проте, Y - хромосома не містить генів, що мають відношення до підлоги. Її навіть називають генетично інертною або генетично порожній, оскільки в ній дуже мало генів. Як вважають, у дрозофіли гени, що визначають чоловічі ознаки, знаходяться в аутосомах, і їх фенотипічні ефекти маскуються наявністю пари Х - хромосом; у присутності однієї Х - хромосоми чоловічі ознаки виявляються. Це приклад спадкоємства, обмеженого підлогою (на відміну від спадкоємства, зчепленого з підлогою), при якій, наприклад, у жінок пригнічуються гени, що детермінують зростання бороди.

Морган і його співробітники відмітили, що спадкоємство забарвлення очей у дрозофіли залежить від підлоги батьківських особин, що несуть альтернативні алелі. Червоне забарвлення очей домінує над білим. При схрещуванні червоноокого самця з білоокою самкою в F1, отримували рівне число червонооких самок і білооких самців. Проте при схрещуванні білоокого самця з червоноокою самкою в F1 були отримані в рівному числі червоноокі самці і самки. При схрещуванні цих мух F1, між собою були отримані червоноокі самки, червоноокі і білоокі самці, але не було жодної білоокої самки. Той факт, що у самців частота прояву рецесивної ознаки була вища, ніж у самок, наводив на думку, що рецесивний алель, визначальний білоокість, знаходиться в Х - хромосомі, а Y - хромосома позбавлена гена забарвлення очей. Щоб перевірити цю гіпотезу, Морган схрестив початкового білооких самця з червоноокою самкою з F1. У потомстві були отримані червоноокі і білоокі самці і самки. З цього Морган справедливо уклав, що тільки Х - хромосома несе ген забарвлення очей. У Y - хромосомі відповідного локусу взагалі немає. Це явище відоме під назвою спадкоємство, зчепленого з підлогою.

6.1 Спадкоємство, зчеплене з підлогою

Гени, що знаходяться в статевих хромосомах, називають зчепленими з підлогою. У Х - хромосомі є ділянка, для якої в Y-хромосомі немає гомолога. Тому у особин чоловічої статі ознаки, визначувані генами цієї ділянки, виявляються навіть в тому випадку, якщо вони рецесивні. Ця особлива форма зчеплення дозволяє пояснити спадкоємство ознак, зчеплених з підлогою, наприклад колірної сліпоти, раннього облисіння і гемофілії у людини. Гемофілія - зчеплена з підлогою рецесивна ознака, при якій порушується утворення чинника VIII, прискорюючого згортання крові. Ген, що детермінує синтез чинника VIII, знаходиться в ділянці Х - хромосоми, що не має гомолога, і представлений двома алелями - домінантним нормальним і рецесивним мутантом.

Можливі наступні генотипи і фенотипи:



Таблиця 2.

Генотип	Фенотип
XHXH	Нормальна жінка
XHXh	Нормальна жінка (носій)
XHy	Нормальний чоловік
XHY	Чоловік - гемофілітик

Малюнок 3. Наслідування гемофілії у нащадків королеви Вікторії.

На схемі зображені лише ті нащадки, які приймали участь в передачі гемофілії чи були вражені нею. Родовід британського королівського дому продовжено, щоб вказати, чому гемофілія не виявилась у жодного з нащадків королеви Вікторії на протязі 7 поколінь. Особини жіночої статі, гетерозиготні по будь-якій із зчеплених з підлогою ознак, називають носіями відповідного рецесивного гена. Вони фенотипічно нормальні, але половина їх гамет несе рецесивний ген. Не дивлячись на наявність у отця нормального гена, сини матерів - носіїв з вірогідністю 50% страждатимуть гемофілією.

Від браку жінки - носія з нормальним чоловіком можуть народитися діти з різними фенотипами. Один з найдобріше документованих прикладів спадкоємства гемофілії ми знаходимо в родоводу нащадків англійської королеви Вікторії. Припускають, що ген гемофілії виник в результаті мутації у самої королеви Вікторії або у одного з її батьків. На мал. 3 показано, як цей ген передавався її нащадкам.



7. Взаємодія між генами

До цих пір розглядалися відносно прості аспекти генетики: домінування, моногібридне і дигибридное схрещування, зчеплення, визначення підлоги і спадкоємство, зчеплене з підлогою. Відомі, проте, і інші взаємодії між генами, і можливо, що саме вони визначають велику частину фенотипічних ознак організму.

7.1 Неповне домінування

Відомі випадки, коли два або більш за алелів не проявляють повною мірою домінантність або рецесивність, так що в гетерозиготному стані жоден з алелів не домінує над іншим. Це явище нестатевого домінування, або кодомінантність, є виключення з описаного Менделем правила спадкоємства при моногібридних схрещуваннях. На щастя, Мендель вибрав для своїх експериментів ознаки, яким не властиве неповне домінування; інакше воно могло б сильно ускладнити його перші дослідження.

Неповне домінування спостерігається як у рослин, так і у тварин. В більшості випадків гетерозиготи володіють фенотипом, проміжним між фенотипами домінантною і рецесивною гомозигот. Прикладом служать кури Андалузії, отримані в результаті схрещування чистопорідних чорних і «окроплених білих» (splashed white) курей. Чорне оперення обумовлене наявністю алеля, що визначає синтез чорного пігменту меланіну. У «окроплених» курей цей алель відсутній. У гетерозигот меланін розвивається не повною мірою, створюючи лише голубуватий відлив на оперенні.

Оскільки загальноприйнятих символів для позначення алелів з неповним домінуванням не існує, нам необхідно ввести для генотипів такі символи, щоб зробити зрозумілими приведені нижче схеми отримання курей Андалузії.

Можливі, наприклад, такі позначення: чорні - В, «окроплені» - b, W, BW або BBW. Результати схрещування між гомозиготними чорними і «окропленими» курями представлені в табл. 2.

При схрещуванні між собою особин F1 відношення фенотипів в F2 відрізняється від відношення Менделя 3 : 1, типового для моногібридного схрещування. В цьому випадку виходить відношення 1:2:1, де у половини особин F2 буде такий же генотип, як у F1 (табл. 3). Відношення 1 : 2 : 1 характерний для результатів схрещувань при неповному домінуванні.

Таблиця 3. Схрещування курей породи Андалузії: гібриди F1.

Фенотипи батьків	Чорні (гомозиготи)	“Окроплені” білі (гомозиготи)
Генотипи батьків (2n)	BB	BWBW
Мейоз
Гамети (n)	B B	BW BW
Випадкове запліднення
Генотипи F1 (2n)	BBW BBW	BBW BBW
Фенотипи F1	Всі кури - “блакитні” гетерозиготи

7.2 Летальні гени

Відомі випадки, коли один ген може робити вплив на декілька ознак, зокрема на життєздатність. У людини і інших ссавців певний рецесивний ген викликає утворення внутрішніх спайок легенів, що приводить до смерті при народженні. Іншим прикладом служить ген, який впливає на формування хряща і викликає природжену потворність, що веде до смерті плоду або новонародженого.

У курей, гомозиготних по алелю, що викликає «курчавість» пір'я, неповний розвиток пір'я спричиняє за собою декілька фенотипічних ефектів. У таких курей теплоізоляція недостатня, і вони страждають від охолоджування. Для компенсації втрати тепла у них з'являється ряд структурних і фізіологічних адоптацій, але ці адаптації малоефектні і серед таких курей висока смертність.

Дія летального гена ясна видно на прикладі спадкоємства забарвлення шерсті у мишей. У диких мишей шерсть зазвичай сіра, типу агути; але у деяких мишей шерсть жовта. При схрещуваннях між жовтими мишами в потомстві виходять як жовті миші, так і агути відносно 2 : 1. Єдине можливе пояснення таких результатів полягає в тому, що жовте забарвлення шерсті домінує над агути і що всі жовті миші гетерозиготні. Атипове відношення Менделя пояснюється загибеллю гомозиготних жовтих мишей до народження. При розтині вагітних жовтих мишей, схрещених з жовтими ж мишами, в їх матках були виявлені мертві жовті мишасті. Якщо ж схрещувалися жовті миші і агути, то в матках вагітних самок не виявлялося мертвих жовтих мишастих, оскільки при такому схрещуванні не може бути потомства, гомозиготного по гену жовтої шерсті.

7.3 Епістаз

Ген називають епістатичним (від греч. еpi - над), якщо його присутність пригнічує ефект якого-небудь гена, що знаходиться в іншому локусі. Епістатичні гени іноді називають генами, що інгібірують, а ті гени, дія яких ними пригнічується, - гіпостатичними (від греч. hypo - під).

Забарвлення шерсті у мишей контролюється парою генів, що знаходяться в різних локусах. Епістатичний ген визначає наявність забарвлення і має два алеля: домінантний, такий, що визначає забарвлену шерсть, і рецесивний, такий, що обумовлює альбінізм (біле забарвлення). Гіпостатичний ген визначає характер забарвлення і має два алеля: агути (домінантний, такий, що визначає сіре забарвлення) і чорний (рецесивний). Миші можуть мати сіре або чорне забарвлення залежно від своїх генотипів, але наявність забарвлення можлива тільки в тому випадку, якщо у них одночасно є алель забарвленої шерсті. Миші, гомозиготні по рецесивному алелю альбінізму, будуть альбіносами навіть за наявності у них алелів агути і чорної шерсті. Можливі три різних фенотипи: агути, чорна шерсть і альбінізм. При схрещуванні можна отримати ці фенотипи в різних співвідношеннях залежно від генотипів схрещуваних особин.

7.4 Полігенне спадкоємство

Багато хто з найпомітніших ознак організму є результатом сумісної дії багатьох різних генів; ці гени утворюють особливий генний комплекс, званий полігенною системою. Хоча внесок кожного окремого гена, що входить в таку систему, дуже малий, щоб зробити скільки-небудь значний вплив на фенотип, майже нескінченну різноманітність, що створюється сумісною дією цих генів (полигенів), складає генетичну основу безперервної мінливості.



8. Мінливість

Мінливістю називають всю сукупність відмінностей за тією або іншою ознакою між організмами, що належать до однієї і тієї ж природної популяції або вигляду. Вражаюча морфологічна різноманітність особин в межах будь-якого вигляду привернула увагу Дарвіна і Уоллеса під час їх подорожей. Закономірний, передбачений характер передачі таких відмінностей по спадку послужив основою для досліджень Менделя. Дарвін встановив, що певні ознаки можуть розвиватися в результаті відбору, тоді як Мендель пояснив механізм, що забезпечує передачу з покоління в покоління ознак, по яких ведеться відбір.

Мендель описав, яким чином спадкові чинники визначають генотип організму, який в процесі розвитку виявляється в структурних, фізіологічних і біохімічних особливостях фенотипу. Якщо фенотипічний прояв будь-якої ознаки обумовлений кінець кінцем генами, контролюючими цю ознаку, то на ступінь розвитку певних ознак може робити вплив середовище.

Вивчення фенотипічних відмінностей в будь-якій великій популяції показує, що існують дві форми мінливості - дискретна і безперервна. Для вивчення мінливості якої-небудь ознаки, наприклад зростання у людини, необхідно зміряти цю ознаку у великого числа індивідуумів в популяції, що вивчається. Результати вимірювань представляють у вигляді гістограми, що відображає розподіл частот різних варіантів цієї ознаки в популяції. На мал. 4 представлені типові результати, що отримуються при таких дослідженнях, і вони наочно демонструють відмінність між дискретною і безперервною мінливістю.

8.1 Дискретна мінливість

Деякі ознаки в популяції представлені обмеженим числом варіантів. У цих випадках відмінності між особинами чітко виражені, а проміжні форми відсутні; до таких ознак відносяться, наприклад, групи крові у людини, довжина крил у дрозофіли, меланістична і світла форми у березового п'ядуна (Biston betularia), довжина стовпчика у первоцвіту (Primula) і пів у тварин і рослин. Ознаки, для яких характерна дискретна мінливість, зазвичай контролюються одним або двома головними генами, у яких може бути два або декілька алелів, і зовнішні умови відносно мало впливають на їх фенотипічну експресію.

Оскільки дискретна мінливість обмежена деякими чітко вираженими ознаками, її називають також якісною мінливістю на відміну від кількісної, або безперервною, мінливості.

Малюнок 4. Гістограми, що відображають розподіл частот у разі переривистої (А) і не переривистої (Б) мінливості.

8.2 Безперервна мінливість

По багатьом ознакам в популяції спостерігається повний ряд переходів від однієї крайності до іншої без всяких розривів. Найбільш яскравими примерзла служать такі ознаки, як маса (вага), лінійні розміри, форма і забарвлення організму в цілому або окремих його частин. Частотний розподіл за ознакою, що проявляє безперервну мінливість, відповідає кривий нормального розподілу. Більшість членів популяції потрапляють в середню частину кривої, а на її кінцях, відповідних двом крайнім значенням даної ознаки, знаходиться зразкове однакове (дуже мале) число особин. Ознаки, для яких характерна безперервна мінливість, обумовлені сумісною дією багатьох генів (полигенів) і чинників середовища. Кожен з цих генів окремо робить дуже невеликий вплив на фенотип, але спільно вони створюють значний ефект.

8.3 Вплив середовища

Головний чинник, що детермінує будь-яку фенотипічну ознаку, - це генотип. Генотип організму визначається у момент запліднення, але ступінь подальшої експресії цього генетичного потенціалу значною мірою залежить від зовнішніх чинників, що впливають на організм під час його розвитку. Так, наприклад, використаний Менделем сорт гороху з довгим стеблом зазвичай досягав висоти 180 див. Проте для цього йому необхідні були відповідні умови - освітлення, постачання водою і хороший ґрунт. За відсутності оптимальних умов (за наявності лімітуючих чинників) ген високого стебла не міг повною мірою проявити свою дію. Ефект взаємодії генотипу і чинників середовища продемонстрував данський генетик Іогансен. У ряді експериментів на карликовій квасолі він вибирав з кожного покоління рослин, що самозапилювалися, найважче і найлегше насіння і висаджував їх для отримання наступного покоління. Повторюючи ці експерименти впродовж декількох років, він виявив, що в межах «важкої» або «легкої» селекційної лінії насіння мало розрізнялося по середній вазі, тоді як середня вага насіння з різних ліній сильно розрізнялася. Це дозволяє вважати, що на фенотипічний прояв ознаки роблять вплив як спадковість, так і середовище. На підставі цих результатів можна визначити безперервну фенотипічну мінливість як «кумулятивний ефект варіюючих чинників середовища, що впливають на варіабельний генотип». Крім того, ці результати показують, що ступінь наслідуваності даної ознаки визначається в першу чергу генотипом. Що стосується розвитку таких чисто людських якостей, як індивідуальність, темперамент і інтелект, то, судячи по наявних даних, вони залежать як від спадкових, так і від середових чинників, які, взаємодіючи в різному ступені у різних індивідуумів, впливають на остаточний вираз ознаки. Саме ці відмінності в тих і інших чинниках створюють фенотипічні відмінності між індивідуумами. Ми поки що не маємо в своєму розпорядженні даних, які твердо указували б на те, що вплив якихось з цих чинників завжди переважає, проте середовище ніколи не може вивести фенотип за межі, детерміновані генотипом.

8.4 Джерела мінливості

Необхідно ясно уявляти собі, що взаємодія між дискретною і безперервною мінливістю і середовищем робить можливим існування двох організмів з ідентичним фенотипом. Механізм реплікації ДНК при мітозі такий близький до досконалості, що можливості генетичної мінливості у організмів з безстатевим розмноженням дуже малі. Тому будь-яка видима мінливість у таких організмів майже напевно обумовлена діями зовнішнього середовища. Що ж до організмів, що розмножуються статевим шляхом, то у них є широкі можливості для виникнення генетичних відмінностей. Практично необмеженими джерелами генетичної мінливості служать два процеси, що відбуваються під час мейозу:

1. Реципрокний обмін генами між хроматадамп гомологічних хромосом, який може відбуватися в профазі 1 мейозу. Він створює нові групи зчеплення, тобто служить важливим джерелом генетичної рекомбінації алелів.

2. Орієнтація пар гомологічних хромосом (бивалентов) в екваторіальній площині веретена в метафазі I мейозу визначає напрям, в якому кожен член пари переміщатиметься в анафазі I. Ця орієнтація носить випадковий характер. Під час метафази II пар хроматид знов-таки орієнтується випадковим чином, і цим визначається, до якого з двох протилежних полюсів попрямує та або інша хромосома під час анафази II. Випадкова орієнтація і подальша незалежна розбіжність (сегрегація) хромосом роблять можливим велике число різних хромосомних комбінацій в гаметах; число це можна підрахувати.

Третє джерело мінливості при статевому розмноженні - це те, що злиття чоловічих і жіночих гамет, що приводить до об'єднання двох галоїдних наборів хромосом в диплоїдному ядрі зиготи, відбувається абсолютно випадковим чином (в усякому разі, в теорії); будь-яка чоловіча гамета потенційно здатна злитися з будь-якою жіночою гаметою.

Ці три джерела генетичної мінливості і забезпечують постійне «перетасовування» генів, лежаче в основі генетичних змін, що відбуваються весь час. Середовище надає дію на весь ряд тих, що виходять таким чином фенотипів, і ті з них, які краще всього пристосовані до даного середовища, досягають успіху. Це веде до змін частот алелів і генотипів в популяції. Проте ці джерела мінливості не породжують крупних змін в генотипі, які необхідні, згідно еволюційної теорії, для виникнення нового вигляду. Такі зміни виникають в результаті мутацій.



9. Мутації

Мутацією називають зміну кількості або структури ДНК даного організму. Мутація приводить до зміни генотипу, яка може бути успадковане клітками, що походять від мутантний клітки в результаті митоза або мейозу. Мутація може викликати зміни яких-небудь ознак в популяції. Мутації, що виникли в статевих клітках, передаються наступним поколінням організмів, тоді як мутації в соматичних клітках успадковуються тільки дочірніми клітками, що утворилися шляхом митоза, і такі мутації називають соматичними.

Мутації, зміни числа або макроструктури хромосом, що виникають в результаті, відомі під назвою хромосомних мутацій або хромосомної аберації (перебудов). Іноді хромосоми так сильно змінюються, що це можна побачити під мікроскопом. Але термін «мутація» використовують головним чином для позначення зміни структури ДНК в одному докую, коли відбувається так звана генна, або точкова, мутація.

Уявлення про мутацію як про причину раптової появи нової ознаки було вперше висунуто в 1901 р. голландським ботаніком Гуго де Фризом, що вивчав спадковість у енотери Oenothera lamarckiana. Через 9 років Т. Морган почав вивчати мутації у дрозофіли, і незабаром за участю генетиків всього світу у неї було ідентифіковано більше 500 мутацій.

9.1 Генні мутації

Раптові спонтанні зміни фенотипу, які не можна пов'язати із звичайними генетичними явищами або мікроскопічними даними про наявність хромосомної аберації, можна пояснити тільки змінами в структурі окремих генів. Генна, або точкова (оскільки вона відноситься до визначеного генному локусу), мутація - результат зміни нуклеотидної послідовності молекули ДНК в певній ділянці хромосоми. Така зміна послідовності підстав в даному гені відтворюється при транскрипції в структурі мРНК і приводить до зміни послідовності амінокислот в поліпептидному ланцюзі, трансляції, що утворюється в результаті, на рибосомах.

Існують різні типи генних мутацій, пов'язаних з додаванням, випаданням або перестановкою підстав в гені. Це дуплікації, вставки, діленні, інверсії або заміни підстав. У всіх випадках вони приводять до зміни нуклеотидної послідовності, а часто - і до утворення зміненого поліпептиду. Наприклад, делеція викликає зрушення рамки.

Генні мутації, що виникають в гаметах або в майбутніх статевих клітках, передаються всім кліткам нащадків і можуть впливати на подальшу долю популяції. Соматичні генні мутації, що відбуваються в організмі, успадковуються тільки тими клітками, які утворюються з клітки мутанта шляхом митоза. Вони можуть надати дію на той організм, в якому вони виникли, але із смертю особини зникають з генофонду популяції. Соматичні мутації, ймовірно, виникають дуже часто і залишаються непоміченими, але в деяких випадках при цьому утворюються клітки з підвищеною швидкістю росту і ділення. Ці клітки можуть дати початок пухлинам - або доброякісним, які не роблять особливого впливу на весь організм, або злоякісним, що приводить до ракових захворювань.

Ефекти генних мутацій надзвичайно різноманітні. Велика частина дрібних генних мутацій фенотипічно не виявляється, оскільки вони рецесивні, проте відомий ряд випадків, коли зміна всього лише однієї підстави в певному гені робить глибокий вплив на фенотип. Одним з прикладів служить серповидноклітинна анемія - захворювання, що викликається у людини заміною підстави в одному з генів, відповідальних за синтез гемоглобіну. Молекула дихального пігменту гемоглобіну у дорослої людини складається з чотирьох поліпептидних ланцюгів (два - і два - ланцюгів), до яких приєднані чотири простетичні групи гема. Від структури поліпептидних ланцюгів залежить здатність молекули гемоглобіну переносити кисень. Зміна послідовності підстав в триплеті, що кодує одну певну амінокислоту з 146, що входять до складу а-ланцюгів, приводить до синтезу аномального гемоглобіну серповидних кліток (HBS). Послідовності амінокислот в нормальних і аномальних а-ланцюгах розрізняються тим, що в одній точці аномальних ланцюгів гемоглобіну S глутамидова кислота заміщена валіном. В результаті такого, здавалося б, незначної зміни гемоглобін S кристалізується при низьких концентраціях кисню, а це у свою чергу приводить до того, що у венозній крові еритроцити з таким гемоглобіном деформуються (з округлих стають серповидними) і швидко руйнуються. Фізіологічний ефект мутації полягає в розвитку гострої анемії і зниженні кількості кисню, що переноситься кров'ю. Анемія не тільки викликає фізичну слабкість, але і може привести до порушень діяльності серця і нирок і до ранньої смерті людей, гомозиготних по мутантові алелю. У гетерозиготному стані цей алель викликає значно менший ефект: еритроцити виглядають нормальними, а аномальний гемоглобін складає тільки близько 40%. У гетерозигот розвивається анемія лише в слабкій формі, а зате в тих областях, де широко поширена малярія, особливо в Африці і Азії, носії алеля серповиднокліточності несприйнятливі до цієї хвороби. Це пояснюється тим, що її збудник - малярійний плазмодій - не може жити в еритроцитах, що містять аномальний гемоглобін.

9.2 Значення мутацій

Хромосомні і генні мутації надають різноманітні дії на організм. У багатьох випадках ці мутації летальні, оскільки порушують розвиток; у людини, наприклад, близько 20% вагітностей закінчуються природним викиднем в терміни до 12 тижнів, і в половині таких випадків можна виявити хромосомні аномалії. В результаті деяких хромосомних мутацій певні гени можуть опинитися разом, і їх загальний ефект може привести до появи якої-небудь «сприятливої» ознаки. Крім того, зближення деяких генів один з одним робить менш вірогідним їх розділення в результаті кросинговера, а у разі сприятливих генів це створює перевагу.

Генна мутація може привести до того, що в певному локусі опиниться декілька алелів. Це збільшує як гетерозиготність даної популяції, так і її генофонд, і веде до посилення мінливості внутрішньопопуляції. Перетасовування генів як результат кросинговера, незалежного розподілу, випадкового запліднення і мутацій може підвищити безперервну мінливість, але її еволюційна роль часто виявляється скороминущою, оскільки зміни, що виникають при цьому, можуть швидко згладитися унаслідок «усереднювання». Що ж до генних мутацій, то деякі з них збільшують дискретну мінливість, і це може зробити на популяцію глибший вплив. Більшість генних мутацій рецесивні по відношенню до «нормального» алелю, який, успішно витримавши відбір впродовж багатьох поколінь, досяг генетичної рівноваги з рештою генотипу. Будучи рецесивними, мутанти алелі можуть залишатися в популяції протягом багатьох поколінь, поки їм не вдасться зустрітися, тобто опинитися в гомозиготному стані і виявитися у фенотипу. Час від часу можуть виникати і домінантні мутанти обплели, які негайно дають фенотипічний ефект.



10. Роль генів в розвитку

Роль генів в розвитку організму величезна. Гени характеризують всі ознаки майбутнього організму, такі, як колір очей і шкіри, розміри, вага і багато що інше. Гени є носіями спадкової інформації, на основі якої розвивається організм.



Список використаної літератури:

Н. Грін, Біологія, Москва, “МИР”, 1993.

Р. Грігорьев, Як стати розумним, Москва, “Дитяча література”, 1973.

Ф. Кибернштерн, Гени і генетика, Москва, “Параграф”, 1995.

А. Артемов, Що таке ген, Таганрог, “Червона сторінка”, 1989.