Взаимодействие генов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Взаимодействие генов

Взаимодействие генов

ген наследование хромосома аномалия

Развитие любых признаков у организмов является следствием сложных взаимодействий между генами. Эти взаимодействия могут быть представлены в виде схемы. Взаимодействие между генами:

1) из одной аллели

2) из различных аллелей

а) неполное доминирование;

а) комплементарное действие;

б) доминирование;

б) эпистаз;

в) сверхдоминирование;

в) полимерия.

Доминирование проявляется в тех случаях, когда один аллельный ген полностью скрывает действие другого. Однако, по-видимому, чаще всего действие рецессивного гена как-то сказывается и обычно приходится встречаться с различной степенью неполного доминирования. Сверхдоминирование заключается в том, что у доминантного гена в гетерозиготном состоянии иногда отмечается даже более сильное проявление, чем в гомозиготном. Так, у дрозофилы известна рецессивная летальная мутация, гетерозиготы по которой обладают большей жизнеспособностью, чем гомозиготные мухи дикого типа.

Сложные взаимоотношения возникают между неаллельными генами. К комплементарным, или дополнительно действующим, генам относятся такие неаллельные гены, которые при совместном проявлении обуславливают развитие нового признака. Эпистатическое взаимодействие неаллельных генов противоположно комплементарному действию генов. Сущность эпистаза сводится к подавлению проявления генов одной аллельной пары генами другой. Гены, подавляющие действие других аллельных генов, называются супрессорами, или подавителями. Они могут быть как доминантными, так и рецессивными. Наследование окраски у свиней демонстрирует доминантный эпистаз. При скрещивании черных и белых свиней из разных пород в F1 появляются белые потомки. Их скрещивание между собой приводит к появлению белых (12/16), черных (3/16) и красных (1/16) поросят. Все белые поросята имеют как минимум один доминантный ген-подавитель I. Черные поросята гомозиготны по рецессивной аллели i, не препятствующей формированию окраски, и несут доминантную аллель Е, детерминирующую образование черного пигмента. Красные поросята (ееii) лишены доминантного гена-подавителя I и доминантного гена, определяющего черную окраску.

Полимерия. В некоторых случаях установлено, что проявление конкретного признака зависит от количества доминантных генов, вносящих вклад в его развитие - это кумулятивная полимерия. А некумулятивная полимерия заключается в том, что наличие хотя бы одного доминантного признака дает полное его проявление. Полимерно наследуются количественные признаки, такие как рост, вес. Таким образом, накопление определенных аллелей в генотипе может вести к изменению выраженности признаков. Зависимость нескольких признаков от одного гена носит название плейотропии (от греч. pleios - полный, tropos - способ).

У человека аномалия, известная под названием "паучьи пальцы" (они очень длинные и тонкие), обусловлена геном, с которым связаны также нарушения в строении хрусталика глаза. Каждый ген оказывает какое-то основное действие, но, обладая плейотропностью, изменяет, модифицирует проявление других генов, в связи с чем и введено понятие генов-модификаторов. Последние усиливают или ослабляют развитие признаков, кодируемых "основным" геном. Возможно, что каждый ген является одновременно геном основного действия для "своего" признака и модификатором для других признаков. Таким образом, фенотипическое проявление признаков - результат взаимодействия генов всего генотипа. Иногда к числу аллельных может относиться не два, а большее число генов. Они получили название множественных аллелей. Возникают множественные аллели в результате многократного мутирования одного и того же локуса в хромосоме. Так, кроме основных доминантного и рецессивного аллельных генов, между ними возникают промежуточные, которые по отношению к доминатному ведут себя как рецессивные, а по отношению к рецессивному - как доминантные гены. У кроликов сплошная черная окраска обусловлена доминантным геном А, гомозиготные рецессивные формы (аа) белые. Но в этом же локусе есть еще два гена - шиншилловой (а ch) и гималайской (аh) окраски. Шиншилловые кролики имеют сплошную серую масть. У гималайских кроликов основная масть белая, но кончики ушей, хвоста, ног и носа окрашены. При скрещивании гималайских кроликов с белыми ген гималайской окраски ведет себя но отношению к гену белой окраски как доминантный, следовательно, животные с гималайской окраской могут быть двух генотинов: аhаh (гомозиготные) и аhа (гетерозиготные). Но при скрещивании гомозиготного гималайского кролика с шиншилловым ген гималайской окраски оказывается рецессивным, точно так же ген шиншилловой окраски проявляет доминантность в отношении не только гималайской, но и белой окраски. Следовательно, шиншилловый кролик может быть трех генотипов: achаch; achah и acha. Черная окраска доминирует над всеми другими генами по этой серии множественных аллелей, отсюда черной окраске могут соответствовать четыре генотипа: АА, Ааch, Ааh, Аа. Вся серия аллелей может быть записана в виде ряда: черный > шиншилла > гималайский > белый или в виде символов: A > ach > аh > a.

Наследование групп крови у человека подчиняется той же закономерности. Четыре группы крови человека определяются антигенами А и В. Если ни одного из них нет, то у человека первая (нулевая) группа крови. Присутствие антигена А дает вторую группу, антигена В - третью, совместное их присутствие обусловливает развитие четвертой группы. Сделано предположение, что нулевая группа зависит от рецессивного гена, обозначаемого через i, над ним доминирует как ген IA, дающий вторую группу, так и ген IB, дающий третью группу. Гены IA и IB вместе дают четвертую группу крови. Первая группа крови бывает лишь при генотипе ii вторая - при генотипах IAIA и IAi, третья - при генотипах IB, IB и IBi, четвертая - при генотипе IA. Принцип наследования групп крови используется при спорных случаях в судебной экспертизе, с целью исключения отцовства. При этом возможно лишь сказать, мог ли он быть отцом данного ребенка или отцовство исключено.

Правила постоянства числа, парности, индивидуальности и непрерывности хромосом, сложное поведение хромосом при митозе и мейозе давно убедили исследователей в том, что хромосомы играют большую биологическую роль и имеют прямое отношение к передаче наследственных свойств.

Новые доказательства роли хромосом в передаче наследственной информации были получены в результате обнаружения хромосомного определения пола, групп сцепленного наследования признаков, соответствующих числу хромосом, а также благодаря построению генетических карт хромосом. Одним из первых и веских доказательств роли хромосом в явлениях наследственности явилось открытие закономерности, согласно которой пол наследуется как менделирующий признак. Известно, что хромосомы, составляющие одну гомологичную пару, совершенно подобны друг другу, но это справедливо лишь в отношении аутосом. Половые хромосомы, или гетерохромосомы, могут сильно разниться между собой как по морфологии, так и по заключенной в них генетической информации. Сочетание половых хромосом в зиготе определяет пол будущего организма. Большую из хромосом этой пары принято называть X(икс)-хромосомой, меньшую - У(игрек)-хромосомой. У человека и у многих других видов животных, женские особи в соматических клетках имеют две Х-хромосомы, а мужские - Х- и У-хромосомы. Яйцевые клетки содержат Х-хромосомы, и в этом отношении все одинаковы. Сперматозоиды у них образуются двух типов: одни содержат Х-хромосому, другие У-хромосому, поэтому при оплодотворении возможны две комбинации:

1. Яйцеклетка, содержащая Х-хромосому, оплодотворяется сперматозоидом тоже с Х-хромосомой. В зиготе встречаются две Х-хромосомы; из такой зиготы развивается женская особь.

2. Яйцеклетка, содержащая Х-хромосому, оплодотворяется сперматозоидом, несущим У-хромосому. В зиготе оказывается сочетание Х- и У- хромосомы; из такой зиготы развивается мужской организм.

Пол, имеющий обе одинаковые половые хромосомы (ХХ), называется гомогаметным, так как он дает все гаметы одинаковые, а пол с разными половыми хромосомами (ХУ), образующий два типа гамет, называется гетерогаметным. У человека, гомогаметный пол женский, гетерогаметный - мужской.

У человека и млекопитающих в соматических клетках, содержащих две Х-хромосомы, одна из них, образующая глыбку хроматина, которая получила название полового хроматина, или тельца Барра. В клетках мужчин, содержащих только одну Х-хромосому, тельце Барра, как правило, отсутствует. Определение полового хроматина дает возможность выяснить принадлежность организма к тому или иному полу. Иногда это бывает необходимо при судебно-медицинской экспертизе. К определению полового хроматина прибегают в спорных случаях установления пола, например, при аномалиях в строении наружных половых органов, а также для диагностики хромосомных болезней. Признаки, наследуемые через половые (Х и У) хромосомы, получили название сцепленных с полом. У человека известно немного морфологических признаков, наследуемых через У-хромосому. К их числу относится, например, волосатость ушей. А через Х-хромосому у человека и животных, наоборот, наследуются многие признаки. Признаки, наследуемые через У-хромосому, проявляются только у лиц мужского пола, а наследуемые через Х-хромосому могут проявляться как у одного, так и у другого пола. Поскольку у особей мужского пола только одна Х-хромосома, то все локализованные в ней гены, даже рецессивные, сразу же проявляются в фенотипе. Особь женского пола может быть как гомо-, так и гетерозиготной по генам, локализованным в Х-хромосоме, и рецессивные гены у нее проявляются только в гомозиготном состоянии.

Когда записывают схему передачи признаков, сцепленных с полом, то в генетических формулах наряду с символами генов записывают и половые хромосомы. У человека некоторые патологические состояния наследуются сцепленно с полом. К ним относится, например, гемофилия (медленная свертываемость крови, обусловливающая повышенную кровоточивость). Ген, контролирующий свертываемость крови и его аллель - ген гемофилии (h) находятся в Х-хромосоме. Ген Н доминантен, ген h рецессивен, поэтому, если женщина гетерозиготна по этому гену (ХHХh), гемофилия у нее не проявляется. У мужчины только одна Х-хромосома, следовательно, если у него в Х-хромосоме находится ген нормальной свертываемости крови (H), то он и проявляется. Если же Х-хромосома мужчины имеет ген гемофилии (h), то мужчина страдает гемофилией: У-хромосома не имеет противостоящего аллельного гена, определяющего нормальное свертывание крови. Естественно, что рецессивный ген гемофилии в гетерозиготном состоянии может находиться у женщин даже в течение нескольких поколений, пока снова не проявится у кого-либо из лиц мужского пола. Женщина, страдающая гемофилией, может родиться лишь от брака женщины, гетерозиготной по гемофилии, с мужчиной, страдающим гемофилией. Ввиду редкости этого заболевания такое сочетание маловероятно. Аналогичным образом наследуется дальтонизм, т. е. такая аномалия зрения, когда человек недостаточно различает цвета, чаще всего красный и зеленый. Нормальное цветовосприятие обусловлено доминантным геном, локализованным в Х-хромосоме, аллельный ему ген дальтонизма рецессивен.

Независимое комбинирование генов, относящихся к различным аллельным парам, возможно только потому, что рассматриваемые гены локализованы в различных парах хромосом. В каждой хромосоме локализовано много генов, наследующихся совместно. Гены, локализованые в одной хромосоме, называются группой сцепления. У каждого вида организмов число групп сцепления равняется числу пар хромосом, т. е. у человека их 23. Установленный Менделем принцип независимого наследования и комбинирования признаков проявляется только тогда, когда гены, определяющие эти признаки, находятся в разных хромосомах (относятся к различным группам сцепления). Однако гены, находящиеся в одной хромосоме, сцеплены не абсолютно. Во время мейоза, при конъюгации хромосом гомологичные хромосомы обмениваются частями. Этот процесс получил название кроссинговера, или перекреста. Кроссинговер может произойти в любом участке хромосомы, даже в нескольких местах одной хромосомы. Чем дальше расположены друг от друга локусы в одной хромосоме, тем чаще между ними следует ожидать перекрест и обмен участками.

У дрозофилы гены длины крыльев (нормальные V и короткие v) и окраски тела (серая В и черная b) локализованы в одной паре гомологичных хромосом, т. е. относятся к одной группе сцепления. Если муху, имеющую оба рецессивных гена (bbvv), скрестить с гомозиготной доминантной (ВВVV), то в первом поколении все потомство окажется доминантным гетерозиготным (ВbVv). Здесь еще нет никакого отличия от обычного дигибридного скрещивания. Чтобы узнать, какие гаметы образует особь первого поколения, следует провести анализирующее скрещивание: скрестить гибридную самку с самцом, рецессивным по обоим генам (т. е. черным короткокрылым). Если два гена, относящихся к различным аллельным парам, локализованы в разных хромосомах, то у дигетерозиготы следует ожидать образования четырех сортов гамет: 25% гамет ВV, 25% Вv, 25% bV и 25% bv. Однако такого расщепления в нашем примере не будет: гены В и V находятся в одной группе сцепления и оба доминантных гена локализованы в одной хромосоме, а оба рецессивных - в другой гомологичной хромосоме, поэтому гены В и V независимо друг от друга комбинироваться не могут. При абсолютном сцеплении обоих генов следует ожидать только два сорта гамет: 50% ВV и 50% bv, а при анализирующем скрещивании - половину мух серых длиннокрылых и половину - черных короткокрылых. Но в данном случае и этого не произошло. Фактически гибридная самка в анализирующем скрещивании дает таких потомков: 41,5% серых длиннокрылых 41,5% черных короткокрылых 8,5% черных " 8,5% серых " Преобладание серых длиннокрылых и черных короткокрылых мух указывает на то, что гены ВV и bv действительно сцеплены. Особи с таким фенотипом образуются из гамет, где эти хромосомы не подвергались перекресту. Но, с другой стороны, появление серых короткокрылых и черных длиннокрылых говорит о том, что в известном числе случаев происходит разрыв сцепления между генами В и V и генами b и v, это результат обмена участками хромосом.

Обмен участками между гомологичными хромосомами имеет большое значение для эволюции, так как непомерно увеличивает возможности комбинативной изменчивости. Вследствие перекреста в процессе эволюции отбор идет не по целым группам сцепления, а по отдельным генам. Ведь в одной группе сцепления могут находиться гены, кодирующие наряду с полезными и вредные признаки. В результате перекреста полезные для организма гены могут быть отделены от вредных и, следовательно, возникнут более выгодные для существования вида генные комбинации. Линейное расположение генов. Генетические карты.

Существование кроссинговера позволило школе Моргана разработать в 1911-1914 гг. принцип построения генетических карт с нанесением на них порядка расположения генов. Генетическая карта хромосомы - это схема взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. В основу этого принципа положено представление о расположении генов по длине хромосомы в линейном порядке. За единицу расстояния между двумя генами условились принимать 1% перекреста между ними. Сравнение генетических карт, полученных при изучении кроссинговера между генами, и цитологических карт, представляющих хромосому как физическое тело, показывает достаточно удовлетворительное соотношение. Генетические карты точно указывают на реальный порядок генов и дают приближенное отображение физических расстояний между генами в хромосоме. Построение детальных генетических карт демонстрирует высокую степень биологической изученности объекта и представляет большой интерес для фундаментальной науки. Над составлением генетической карты человека в течение последних десяти лет работали тысячи ученых. Генетическая карта поможет в излечении таких болезней, как диабет и рак, а также наркомании и даже умственных расстройств. Ученые обнаружили, что у человека примерно 30 тысяч генов - что всего в 2 раза больше, чем у обычной мухи, и на 300 генов больше, чем у мыши.

Методы изучения наследственности у человека. В1956 году было точно определено, что диплоидное число хромосом в клетках человека равно 46. С тех пор достигнуты большие успехи в изучении кариотипа человека, т. е. стандартного набора хромосом. На сегодняшний день для каждой пары хромосом установлены соотношения размеров плеч хромосом и особенности расположения темно- и светлоокрашенных полос, которые позволяют безошибочно определить порядковый номер каждой хромосомы в кариотипе. Один из основных методов изучения наследственности у человека заключается в сборе сведений о наличии признаков в отдельных семьях на протяжении нескольких поколений. По собранным материалам составляют родословные. Благодаря генеалогическому методу удается проследить менделевское расщепление и независимое комбинирование признаков в потомстве, получить сведения по аллелизму, выяснить другие важные вопросы.

Благодаря родословным стало известно, что дальтонизм и гемофилия контролируются рецессивными генами, локализованными в Х-хромосоме. Цвет волос человека зависит от нескольких генов, находящихся в аутосомах. Темный цвет доминирует над светлым, а оттенки пигментации зависят от нескольких генов-модификаторов. Рыжий цвет рецессивен по отношению к "нерыжему". Курчавость волос не полно доминирует над прямыми волосами. Цвет глаз тоже обусловлен несколькими генами, контролирующими количество и характер расположения пигмента в радужной оболочке, но, в общем, темная окраска доминирует над более светлой. Полное отсутствие пигмента (альбинизм) наследуется рецессивно по отношению к наличию пигмента и т. д. Этим же методом выяснена наследственная природа многих болезней и пороков развития у человека. В изучении наследственности большую роль играет близнецовый метод, дающий возможность дифференцировать роль среды и генотипа в развитие морфологических признаков, предрасположения к заболеваниям, психических особенностей и т. д. Для дифференцировки роли наследственности и среды в проявлении различных признаков сравнивают одно- и двуяйцевых близнецов. Различия, устанавливаемые в равной мере у однояйцевых и разнояйцевых близнецов, следует считать зависящими от внешних условий. Различия, обнаруживаемые у разнояйцевых близнецов и не установленные у однояйцевых, рассматриваются как результат различной наследственности. Если в сходных условиях среды признаки различны у партнеров двуяйцевой пары, но сходны у партнеров однояйцевой пары, их следует признать наследственными.

Близнецов, сходных по фенотипу, называют конкордантными (от лат. - быть согласным), или сходными. Если партнеры близнецовой пары по фенотипу разнятся между собой, они дискордантны. Изучение конкордантности на близнецовых парах позволило прийти к выводу, что, например, группы крови всецело определяются генотипом. В случаях шизофрении, эпилепсии, диабета, гипертонической болезни важная роль принадлежит наследственности, но наряду с ней имеют большое значение и провоцирующие факторы среды. Благодаря методам, разработанным в последние годы, стало широко применяться изучение кариотипа. Установлено, что многие заболевания и дефекты развития связаны с нарушением в числе и строении хромосом - это так называемые хромосомные болезни. Основные положения хромосомной теории наследственности.

Закономерности, открытые школой Моргана, а затем подтвержденные и углубленные на многочисленных объектах, известны под общим названием хромосомной теории наследственности. Основные положения ее следующие: 1. Гены находятся в хромосомах; каждая хромосома представляет собой группу сцепления генов; число групп сцепления у каждого вида равно числу пар хромосом.

2. Каждый ген в хромосоме занимает определенное место (локус); гены в хромосомах расположены линейно.

3. Между гомологичными хромосомами происходит обмен аллельными генами.

4. Расстояние между генами (локусами) в хромосоме пропорционально числу кроссинговера между ними.

5. Внутри гена может происходить мутирование. 6. Генотип, будучи искретным (состоящим из отдельных генов), функционирует как единое целое. На функцию генов оказывают влияние факторы как внутриклеточной, так и внешней среды.

Наследственность и среда. В генетической информации заложена способность развития определенных свойств и признаков. Эта способность реализуется лишь в определенных условиях среды. Та же наследственная информация в других условиях может проявиться несколько иначе. Например, когда человек, у которого естественный цвет волос светло-русый, около месяца проводит на солнце, волосы его выгорают и становятся более светлыми. Но когда солнечный сезон заканчивается, волосы приобретают изначальный цвет, т. е. вновь становятся светло-русыми. Это значит, что наследственные свойства сохранились, а изменение цвета волос зависит от условий, в которых происходит реализация генотипа. Многочисленные факты говорят, что наследуется не готовый признак, а определенный тип реакции на воздействие внешней среды. Диапазон, в пределах которого один и тот же генотип способен давать различные фенотипы, и есть норма реакции. У светло-русых людей таков генотип, что при обильных солнечных излучениях цвет становится более светлым, но никак ни черным и не каштановым, а просто немного светлее. Такова его норма реакции. Следовательно, любой признак обусловлен генотипом, но его фенотипическое проявление может изменяться под влиянием условий среды в пределах нормы реакции.

В ряде случаев у одного и того же гена в зависимости от всего генотипа и внешних условий возможна различная полнота фенотипического проявления - от почти полного отсутствия контролируемого геном признака до полной его выраженности. Степень выраженности признака в фенотипе получила название экспрессивности. Таким образом, под экспрессивностью понимают выраженность фенотипического проявления гена. Она связана с изменчивостью признака в пределах нормы реакции. Один и тот же признак может проявляться у некоторых организмов и отсутствовать у других, имеющих тот же ген. Частота встречаемости одного признака в поколении называется пенетрантностью. Если, например, мутантный ген проявляется у всех особей, говорят о 100% пенетрантности; при неполной пенетрантности необходимо указать, у какой части особей (от полного числа) ген проявляется.

Экспрессивность и пенетрантность поддерживаются естественным отбором. Обе закономерности необходимо иметь в виду при изучении наследственности у человека. Следует помнить, что гены, контролирующие патологические признаки, могут иметь различную экспрессивность и пенетрантность. Изменяя условия среды можно влиять на экспрессивность, пенетрантность и доминирование. Явления экспрессивности указывают, что доминированием можно управлять, следовательно, вполне обоснованы поиски средств, предотвращающих развитие наследственных аномалий и патологически отягощенной наследственности у человека. Тот факт, что один и тот же генотип может явиться источником развития различных фенотипов, имеет существенное значение для медицины. Это означает, что отягощенная наследственность не обязательно должна проявиться. Многое зависит от тех условий, в которых находится человек. В ряде случаев развитие болезни, т. е. фенотипическое проявление наследственной информации можно предотвратить диетой или лекарственными препаратами. Реализация наследственной информации находится в прямой зависимости от среды. Их взаимозависимость можно сформулировать в ряде положений:

1. Организмов вне среды не существует. Поскольку организмы открытые системы, находящиеся в единстве с условиями среды, то и реализация наследственной информации происходит под контролем среды.

2. Один и тот же генотип способен дать различные фенотипы, что определяется условиями, в которых реализуется генотип.

3. В организме могут развиться лишь те признаки, которые обусловлены генотипом. Фенотипическая изменчивость происходит в пределах нормы реакции.

4. Условия среды могут влиять на степень проявления наследственного признака у организмов, имеющих соответствующий ген (экспрессивность), или на численность особей, проявляющих соответствующий наследственный признак (пенетрантность).

5. Можно влиять на доминирование у гетерозигот, изменяя условия среды, в которой они развиваются.

Различают изменчивость ненаследственную и наследственную. Первая из них связана с изменением фенотипа, вторая - генотипа.

Ненаследственную изменчивость Дарвин называл определенной. В настоящее время ее принято называть модификационной, или фенотипической, изменчивостью.

Наследственная изменчивость, по определению Дарвина, является неопределенной. В настоящее время - генотипическая изменчивость. Модификации - фенотипические изменения, возникающие под влиянием условий среды. Размах модификационной изменчивости ограничен нормой реакции. Развившееся конкретное модификационное изменение признака не наследуется, но диапазон модификационной изменчивости обусловлен наследственностью. Норма реакции, лежащая в основе модификационной изменчивости, складывалась исторически в результате естественного отбора. В силу этого обстоятельства модификационная изменчивость, как правило, целесообразна. Она соответствует условиям обитания, является приспособительной.

Примером модификационной изменчивости может служить пятилетний "маленький Тарзан", мальчик, которого нашли среди диких зверей в леса Сальвадора, он перелетал с ветки на ветку без особых усилий и почти не говорил, только издавал звуки, подобные животным. И такого мальчика через некоторый промежуток времени удалось перевоспитать, он стал полноценным членом общества. Такое изменение в поведении стало для него результатом его окружения. С самого детства он жил среди. зверей и приспособился к ним, но все-таки смог опять стать человеком. И естественно, что если бы он постоянно жил среди людей, ничего необыкновенного не произошло. Можно с уверенностью сказать, что под влиянием внешних условий развитие фенотипа не повлекло за собой изменения генотипа. В этом - одна и особенностей модификационной изменчивости.

Модификационной изменчивости подвержены такие признаки, как рост, вес, стойкость к перепадам температур и т. д. Возникновение модификационных изменений связано с тем, что условия среды воздействуют на ферментативные реакции, протекающие в развивающемся организме, и в известной мере изменяют их течение. Особую группу модификационной изменчивости составляют длительные модификации. Это изменения, возникающие под влиянием внешних условий, подобно обычным модификациям, но передающиеся ряду последующих поколений. Генотипическую, или наследственную, изменчивость принято делить на комбинативную и мутационную. Один из наиболее сложных признаков живых организмов - поведение. Благодаря ему в значительной степени осуществляется приспособление к постоянно меняющимся условиям существования. Гены играют важную роль в детерминации поведения, но влияние факторов среды также велико. Известно много примеров, когда мутация одного гена может существенно влиять на различные по сложности формы поведения. Гены определяют как простые формы поведения животных и человека, так и влияют на высшие проявления поведенческих реакций. Например, способности людей к музыке, математике в большей степени определяются генами. Феноменальные музыкальные и математические способности проявляются в детстве, когда влияние окружающей среды и обучение еще невелики.

Длительными экспериментами Д.К. Беляев с сотрудниками доказал эффективность отбора по поведению. Через несколько поколений после начала отбора появились ручные лисицы, очень похожие по поведению на собак, и очень агрессивные животные. Лисята проявляли дружелюбие или агрессию к человеку очень рано, иногда даже до открытия глаз. Следовательно, не дрессировка, а именно гены оказали сильное влияние на их поведение. Комбинативная изменчивость связана с получением новых сочетаний генов в генотипе. Достигается это в результате двух процессов:

1. Независимого расхождения хромосом при мейозе и случайного их сочетания при оплодотворении.

2. Рекомбинации генов благодаря кроссинговеру; сами наследственные факторы (гены) при этом не изменяются, но новые сочетания их между собой приводят к появлению организмов с новым фенотипом.

Дарвин придавал большое значение комбинативной изменчивости: наряду с отбором ей принадлежит важная роль в получении новых форм как в природе, так и в хозяйстве человека.

Комбинативная изменчивость широко распространена в природе. Биологическое значение полового размножения заключается в возможности получения новых сочетаний наследственной информации. У микроорганизмов, размножающихся бесполым путем, появились своеобразные механизмы (трансформация и трансдукция), приводящие к появлению комбинативной изменчивости. Все это говорит о большом значении комбинативной изменчивости для эволюции. К комбинативной изменчивости примыкает явление гетерозиса (от греч. heteroisis - видоизменение, превращение). Проявляется он в первом поколении повышением жизнеспособности, роста и ряда других особенностей. Мутация (от лат. mutatio - перемена) - изменение, обусловленное реорганизацией воспроизводящих структур клетки, изменением ее генетического аппарата. Этим мутации резко отличаются от модификаций, не затрагивающих генотип особи. Мутации возникают внезапно, скачкообразно и иногда резко отличают организм от исходной формы.

Мутационная изменчивость свойственна всем организмам, она поставляет материал для отбора, с ней связана эволюция - процесс образования новых видов, сортов и пород. По характеру изменений генетического аппарата различают мутации, обусловленные:

1) изменением числа хромосом (полиплоидия, гетероплоидия, гаплоидия):

2) изменением структуры хромосом (хромосомные абберации);

3) изменением молекулярной структуры гена (генные или точковые мутации).

Полиплоидия - изменение числа хромосом, кратное гаплоидному набору, человеку не свойственна. Гетероплоидия (анеуплоидия). Это изменение числа хромосом, некратное гаплоидному набору. Так, в диплоидном наборе может быть всего на 1 хромосому больше нормы, т. е. 2n+1 хромосома. Такие формы (имеющие одну из хромосом в тройном числе) получили название трисомиков. Если в тройном числе 2 хромосомы, их следует называть двойными трисомиками, если же утроение у 3 хромосом - тройными трисомиками. Все типы трисомиков отличаются как друг от друга, так и от нормальной диплоидной формы. Хромосомы имеют прямое отношение к явлениям наследственности, и каждая хромосома играет свою особую роль в этих явлениях. Трисомиками являются, например, люди с синдромом Дауна. Трисомики чаще всего либо совсем нежизнеспособны, либо отличаются пониженной жизнеспособностью и рядом патологических признаков. Явление, противоположное трисомии, т. е. утрата одной хромосомы из пары в диплоидном наборе - моносомия, организм же - моносомик. Моносомики, как правило отличаются пониженной жизнеспособностью или совсем нежизнеспособны. У человека моносомиками являются женщины с синдромом Тернера-Шерешевского. Если из диплоидного набора выпадает какая-либо из пар гомологичных хромосом, организм называется нулисомиком. Он, как правило, нежизнеспособен.

Явление анеуплоидии показывает, что нарушение нормального числа хромосом приводит к изменениям в строении и к снижению жизнеспособности организма. Чем больше нарушение, тем жизнеспособность меньше. У человека нарушение сбалансированного набора хромосом влечет за собой болезненные состояния, известные под общим названием хромосомных болезней. Причиной хромосомных болезней является нарушение хромосомного набора в той зиготе, из которой развился организм. Иногда сложное течение мейоза может нарушиться, в результате чего отмечается нерасхождение хромосом при редукционном делении. При этом в одной из гамет могут оказаться обе гомологичные хромосомы, а другая гамета лишена их. Если речь идет о женских гаметах, то образуются яйцеклетки ХХ и О, если о мужских, то ХY и О. При оплодотворении аномальных яйцеклеток сперматозоидами с Х- и Y-хромосомами возможны зиготы ХХХ, ХХY, ХО и YО.

Неправильное расхождение хромосом лежит в основе обширной группы наследственных аномалий. При сочетании ХХХ (трисомии по Х-хромосоме) рождается девочка. Но у нее оказываются недоразвитыми половые железы, а в интеллектуальном отношении она неполноценна. При специальном исследовании в ее соматических клетках обнаруживаются две глыбки полового хроматина. При сочетании ХХY рождается мальчик с синдромом Клайнфельтера; он также неполноценен и в интеллектуальном и в физическом отношении. У таких мужчин в клетках имеется глыбка полового хроматина. Синдром Клайнфельтера встречается у 0,1% мужчин.

Сочетание ХО (т. е. моносомия по Х-хромосоме) наблюдается у некоторых женщин с синдромом Шерешевского - Тернера. Больные отличаются малым ростом, медленным половым созреванием, недоразвитием половых органов и, как правило, бесплодием. Половой хроматин в соматических клетках таких женщин отсутствует. Что касается последнего возможного типа аномального сочетания половых хромосом (YO), то эти зиготы настолько дефектны, что погибают на ранних стадиях развития. Встречаются женщины с 4 Х-хромасомами (ХХХХ) и мужчины с резко выраженным синдромом Клайнфельтера, обладающие, помимо определяющей мужской пол Y-хромосомой, еще 3 или даже 4 Х-хромасомами (ХХХY и ХХХХY). При избыточном числе Х-хромосом наблюдается идиотия и ряд морфологических аномалий.

Частота нерасхождения половых хромосом в гаметогенезе отмечается примерно в 0,25% от общего числа гамет; таким образом, понятно, что аномалии, обусловленные ненормальным набором половых хромосом, нередки. Явление нерасхождения свойственно не только половым хромасомам, но и любой из 22 пар аутосом. Очевидно, что аутосомных аномалий, затрагивающих всего лишь одну из хромосом, может быть 22 с одной лишней хромосомой и 22 с одной недостающей хромосомой. При многих из этих аномалий, касающихся крупных хромосом, плод погибает задолго до рождения. Другие аутосомные эмбриопатии (т. е. болезни, проявляющиеся уже у зародыша) приводят к появлению тяжелейших соматических и психических уродов.

В 1959 году было установлено, что при болезни Дауна, характеризующейся идиотией и комплексом конституциональных аномалий (маленькая головка, узкий разрез глаз, плоское лицо с выступающими скуловыми дугами, маленький нос и полуоткрытый рот), в клетках больных оказалось 47 хромосом. Болезнь Дауна обусловлена трисомией по очень маленькой хромосоме из 21-й пары. И чем женщина старше, тем чаще при овогенезе встречается нерасхождение хромосом. Описаны трисомии по хромасомам, относящимся к 16-18-м парам, характеризующиеся рядом аномалий: низким расположением ушей, очень маленькой нижней челюстью, выступающим затылком. Еще большие морфологические нарушения наблюдаются при трисомии хромосом из 13-15 пар. У таких детей отмечаются отсутствие слуха, аномальное строение глазного яблока, волчья пасть, заячья губа, полидактия и другие нарушения. Дети с трисомией обоих типов умирают в первые недели или месяцы после рождения.

Причиной ряда эмбриопатий являются различные хромосомные аберрации, в частности, транслокации. Встречается транслокация хромосомы №21 на хромосому №15. Такая хромосомная аберрация может стать причиной того, что в зиготе окажутся 3 хромосомы из 21-й пары и родится ребенок с синдромом Дауна. К тяжелым последствиям приводит утрата частей каких-либо из хромосом (нехватки). Так, например, при одной из форм хронического лейкоза (миелолейкоза), сопровождающейся злокачественным ростом клеток крови - лейкоцитов, обнаружено укорочение хромосомы №21. В данном случае мутация происходит в соматической клетке. Потомство клетки, несущей дефект, постепенно вытесняет все нормальные лейкоциты, что и вызывает заболевание.

Хромосомные аберрации возникают в результате перестройки в строении хромосом. Они - следствие разрыва хромосомы, приводящего к образованию ферментов, которые в последующем воссоединяются, но при этом нормальное строение хромосомы не восстанавливается. Выделяются четыре основных типа хромосомных аберраций: нехватки, удвоения (дупликации), инверсии, транслокации. Нехватки возникают вследствие потери хромосомой того или иного участка. Нехватки в средней части хромосом принято называть делекциями. Потеря значительной части хромосомы приводит организм к гибели, утрата незначительных участков вызывает изменение наследственных свойств. Удвоение (дупликация) связано с включением лишнего, дублирующего участка хромосомы. Это также ведет к появлению новых признаков; так, у дрозофилы ген узких глаз (вместо круглых) обусловлен удвоением участка в одной из хромосом. Инверсии происходят при разрыве хромосомы и переворачивании оторвавшегося участка на 180о. Если разрыв произошел в одном месте, оторвавшийся фрагмент прикрепляется к хромосоме противоположным концом, если же разрыв произошел в двух местах.

Средний фрагмент, перевернувшись, прикрепляется к местам разрыва, но другими концами. Транслокации возникают, когда участок хромосомы из одной пары прикрепляется к негомологичной хромосоме, т. е. к хромосоме из другой пары. Транслокация участка одной из хромосом (21-й) известна у человека, она может быть причиной болезни Дауна. Большинство транслокаций, затрагивающих крупные участки хромосом, делают организм нежизнеспособным.

Генные мутации затрагивают структуру самого гена. Мутации могут изменять участки молекулы ДНК различной длины. Наименьший участок, изменение которого приводит к появлению мутации, состоит только из одной пары нуклеотидов. Подавляющее большинство мутаций, с которыми связана эволюция, - трансгенации. Например, альбинизм - типичная генная мутация. Гены, которые возникли в результате мутации одного локуса, являются аллельными. У человека мутации являются причиной большого количества самых разнообразных наследственных аномалий. Причиной наследственных заболеваний могут быть изменения в строении хромосом половых и соматических клеток, также наследственных структур на молекулярно уровне. Некоторые из наследственных аномалий контролируются одной парой генов, другие - несколькими. Нарушения, сходные по своему фенотипическому проявлению, могут быть обусловлены в одном случае доминантным, в другом случае - рецессивным геном. В проявлении наследственной патологии существенное значение могут иметь гены-модификаторы, комплементарные гены и однозначные факторы. Большую роль играет среда с ее климатическими, физическими, биологическими и социальными факторами. Все это следует учитывать при анализе наследственных заболеваний.

Среди "молекулярных" болезней особенно часто встречаются наследственные нарушения процессов обмена веществ. Нарушения синтеза белков вследствие изменения гена являются причиной многих наследственных аномалий. Мутирование гена, обеспечивающего синтез определенного белка - фермента, необходимого для осуществления той или иной тканевой реакции, приводит к нарушению последней. Так, для нормального метаболизма аминокислоты фенилаланина необходимо присутствие специфического фермента, под влиянием которого фенилаланин окисляется в другую аминокислоту - тирозин. Известна мутация, которая привела к появлению рецессивного гена, блокирующего образование фермента. Если этот мутировавший ген находится в гомозиготном состоянии, необходимый фермент не образуется и окисление фенилаланина в тирозин становится невозможным. Вместо этого фенилаланин превращается в фенилпировиноградную кислоту, которая, накапливаясь в крови, выделяется с мочой. Нарушение нормального метаболизма фенилаланина приводит к развитию наследственного заболевания - фенилкетонурии, характеризующейся определенной формой умственной отсталости. По такому же принципу мутации могут блокировать обмен многих других белков и ферментов, необходимых для нормального развития человека. Мутации возникают в любых клетках, поэтому различают мутации соматические и генеративные. Биологическое значение этих мутаций неравномерно и связано с характером размножения организмов. При делении мутировавшей соматической клетки новые свойства передаются ее потомкам. При вегетативном размножении новый признак, возникший в результате соматической мутации, может сохраниться и у потомков. При половом размножении признаки, появившиеся в результате соматических мутаций, потомкам не передаются и для эволюции никакой роли не играют. Но в индивидуальном развитии они могут влиять на формирование признака; чем в более ранней стадии развития возникла соматическая мутация, тем большим окажется участок ткани, несущий данную мутацию. Такие особи называются мозаиками. Мозаиками, например, являются люди, у которых цвет одного глаза отличается от цвета другого. Не исключена возможность, что соматические мутации, влияющие на метаболизм, являются одной из причин старения. Соматические мутации - причина изменения кариотипа в клетках злокачественных опухолей, нарушения нормальной наследственной информации.

Если мутация происходит в клетках, из которых развиваются гаметы, или в половой клетке, то новый признак появится в ближайшем или в последующих поколениях. Многие мутации вредны для организма. Это объясняется тем, что в организме функционирование всех органов хорошо сбалансировано между собой и внешней средой. Нарушение существующего равновесия ведет к снижению жизнедеятельности или к гибели организма. Семилетальные, или полулетальные мутации - это мутации, снижающие жизнедеятельность, а летальные (от лат. letalis - смертельный) - мутации, несовместимые с жизнью. Однако какая-то часть мутаций оказывается и полезной. Такие мутации - материал для прогрессивной эволюции, а также для селекции. Мутации делят на спонтанные и индуцированные. Спонтанными называют мутации, возникшие под влиянием неизвестных нам природных факторов. Индуцированные мутации вызваны специальными направленными воздействиями. Наследственные различия у организмов, в том числе наследственные болезни и уродства, появились в результате мутаций. Факторы, способные индуцировать мутационный эффект, получили название мутагенных. Любые факторы внешней и внутренней среды могут нарушить гомеостаз, способный вызвать мутацию. Главнейшими мутагенными факторами являются:

1) различные химические соединения;

2) различные виды излучений.

Мутагенный эффект дают многие химические вещества. Ряд химических веществ оказывает даже более мощное мутагенное действие, чем физические факторы. Они получили название супермутагенов. Химические мутагены использованы для получения мутантных форм плесневых грибков, бактерий, вырабатывающих большое количество антибиотиков. В экспериментах мутации индуцируются разнообразными химическими агентами. Этот факт свидетельствует и том, что и в естественных условиях подобные факторы также служат причиной появления спонтанных мутаций у различных организмов, в том числе и у человека. Доказана мутагенная роль различных химических веществ и некоторых лекарственных препаратов. Это говорит о необходимости изучение мутагенного действия новых фармакологических веществ, пестицидов и других химических соединений, все шире используемых в медицине и сельском хозяйстве.

Наследственные изменения вызываются всеми видами проникающей радиации. При этом возникают как разрывы хромосом, так и точковые мутации. Облучение индуцирует как генные мутации, так и структурные хромосомные перестройки всех описанных выше типов: нехватки, инверсии, удвоения и транслокации, т. е. все структурные изменения, связанные с разрывом хромосом. Причиной этого являются некоторые особенности процессов, происходящих в тканях при действии излучений, что может вызвать фрагментацию хромосом. Связь между облучением и мутационными изменениями может носить и не прямой характер. Энергия излучения может вызвать в среде, окружающей хромосому, химические изменения, которые ведут к индуцированию генных мутаций и структурных перестроек в хромосомах. Бесконтрольное повышение радиоактивного фона в окружающей человека среде представляет для него серьезные генетические последствия.

Яркий пример - взрыв на Чернобыльской АЭС, когда очень многие люди получили опасную, а некоторые и смертельную дозу радиации. В то же время применение атомной энергии в генетике и селекции позволяет создавать новые методы управления наследственностью, глубже понять процессы генетической адаптации организмов. В настоящее время можно предполагать, что нет таких факторов внешней среды, которые в какой-то мере не сказались бы на изменении наследственных свойств. Из физических факторов на ряде объектов установлено мутагенное действие ультрафиолетовых лучей, фотонов света и температуры. Повышение температуры увеличивает число мутаций. Но температура относится к числу тех агентов, в отношении которых у организмов существуют защитные механизмы. Вследствие этого температурные воздействия лают незначительный мутагенный эффект по сравнению с другими агентами. Рак - генетическая болезнь и все без исключения формы рака возникают в результате мутации в ДНК клетки, которая и дает начало популяции опухолевых клеток. Мутации может подвергнуться имеющийся в геноме нормальный ген с превращением его в онкоген, либо онкоген может быть внесен в клетку извне - при вирусной инфекции или иным путем. Мутация, вызывающая рак, может быть не только генной, но и хромосомной, и геномной.

Несмотря на генетическую природу всех раков, далеко не все они являются наследственными заболеваниями, ибо в большинстве случаев связаны с соматическими мутациями, не передающимися по наследству. Доля собственно наследственных форм рака, по различным оценкам, составляет около 7% всех злокачественных заболеваний. По характеру наследуемого признака наследственные формы рака включают следующие группы:

1) наследование гена, вызывающего определенную форму рака;

2) наследование гена, повышающего риск заболевания раком, - наследственная предрасположенность к раку; 3) полигенное наследование - опухоль или предрасположенность к ней возникает при сочетании у больного нескольких наследственных признаков.

Непосредственные механизмы возникновения рака при тех или иных наследственных заболеваниях в большинстве случаев точно не известны. В принципе мыслимы три возможных механизма: 1) повышение частоты возникновения мутаций, трансформирующих нормальный ген в онкоген; 2) понижение эффективности ликвидации мутаций на уровне клетки; 3) понижение эффективности элиминации трансформированных клеток на уровне организма.

К 1-й, по-видимому, наиболее многочисленной группе, относятся наследственные нарушения естественной защиты клеток от мутагенов внешней среды, например, при альбинизме, где ослаблена защита клеток от УФЛ. Несомненно, в настоящее время достигнут большой прогресс в понимании проблемы рака и поиске путей борьбы с ним. Однако окончательное решение этой сложнейшей задачи возможно лишь при достижении новых крупных успехов в понимании генетических основ индивидуального развития.

Борьба с проявлением наследственных аномалий, т. е. исправление патологического фенотипа, давно стала реальной. Необходимо знать, что при раннем распознавании наследственного дефекта, правильной диагностике и лечении в ряде случаев удается добиться полной нормализации развития. Для этого необходимо разрабатывать и внедрять в практику методы ранней диагностики наследственных болезней. Раннее выявление болезни позволяет своевременно назначить специальную диету больным детям и тем самым предотвратить у них необратимые изменения в ЦНС. К числу хорошо изученных признаков человека относятся системы групп крови. Например, система крови "резус". Ген, ответственный за наличие в крови резус-фактора, может быть в двух состояниях: одно из них - "резус +" (Rh+), а другой - "резус -" (Rh-). В браках резус-отрицательных женщин с резус-положительными мужчинами вследствие доминирования резус-положительности плод приобретает это свойство и выделяет в кровеносную систему матери антиген, против которого в организме матери начинают вырабатываться антитела, нарушающие кроветворную систему плода. В результате иммунологической реакции в ходе беременности развивается отравление как материнского организма, так и плода. Это может стать причиной гибели эмбриона. Выяснение характера наследования этой системы крови и ее биохимической природы позволило разработать медицинские приемы, избавившие человечество от огромного количества смертей. Ряд наследственных заболеваний может развиться лишь в зрелом или пожилом возрасте. Но у лиц с отягощенной наследственностью норма реакции на внешние воздействия оказывается сдвинутой уже с самого раннего возраста. По этому принципу разработаны тесты, которые во время профилактических осмотров позволяют выявлять лиц, предрасположенных к наследственным заболеваниям. Необходимо брать их на диспансерный учет и проводить надлежащие профилактические мероприятия. Знание генетики человека позволяет прогнозировать вероятность рождения детей, страдающих наследственными недугами, в случаях, когда один или оба супруга больны или оба родителя здоровы, но наследственное заболевание встречалось у предков супругов. В ряде случаев имеется возможность прогноза вероятности рождения второго здорового ребенка, если первый был поражен наследственным заболеванием.

Широкое использование медико-генетических консультаций сыграет немаловажную роль в снижение частоты наследственных недугов и избавит многие семьи от несчастья иметь нездоровых детей. Следует отметить, что курение, употребление алкоголя и особенно наркотиков матерью или отцов будущего ребенка резко повышает вероятность рождения младенца, пораженного тяжелыми наследственными недугами. Кроме того, разные люди имеют разные генотипы, а следовательно, и различные способности к разнообразной деятельности в области точных наук, технического изобретательства, искусства и т. д. Они часто остаются не выявленными, что является для общества в целом существенной потерей. Медико-генетические консультации помогают выявлять такие способности, наиболее рационально их развивать и использовать.

На данный момент наиболее важна забота о чистоте среды обитания людей, непримиримая борьба с загрязнением воды, воздуха, пищевых продуктов веществами, обладающими мутагенным и канцерогенным действием, тщательная проверка на "генетическую" безвредность средств и препаратов бытовой химии - все это важные условия для снижения частоты появления у людей наследственных недугов. Итак, мутирование происходит в самых разнообразных направлениях, однако это многообразие подчиняется определенной закономерности, обнаруженной в 1920 году Н.И. Вавиловым. При сравнении признаков различных сортов культурных растений и близких к ним диких видов обнаружилось много общих наследственных изменений. Это позволило Н.И. Вавилову сформулировать закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: "Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов". Гомологические ряды часто выходят за пределы родов и даже семейств. Короткопалость отмечена во многих отрядах млекопитающих: крупного рогатого скота, овец, собак, человека. Альбинизм наблюдается у всех классов позвоночных животных. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости имеет прямое отношение к изучению наследственных болезней человека. Вопрос лечения и профилактики наследственных заболеваний не может быть решен без исследований на животных, имеющих наследственные аномалии, подобные встречающимся у человека. Согласно закону Вавилова, многие мутации, обнаруженные у животных могут служить моделями наследственных болезней у человека. Так, у собак встречается гемофилия, сцепленная с полом. Альбинизм зарегистрирован у многих видов грызунов, кошек, собак, у ряда видов птиц. Кроме известных уже мутаций, действием мутагенных факторов может быть получено у лабораторных животных еще много новых аномалий, сходных с теми, которые встречаются у человека.