Генетика

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ГЕНЕТИКИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ Нет на свете двух одинаковых людей. Это разнообразие описывается понятиями «вариативность», «дисперсия», «индивидуальные различия» и др.; в генетике принято, в частности, понятие изменчивость, которое говорит о свойстве живых организмов существовать в различных формах (вариантах). Изменчивость обусловлена как средовыми, так и наследственными механизмами. Изучение наследования различных признаков и свойств человека весьма затруднительно. Во-первых, на людях невозможно проводить прямые генетические и психогенетические эксперименты; во-вторых, люди относятся к числу медленно размножающихся организмов, среди которых многоплодие встречается относительно редко. Однако, несмотря на эти непреодолимые ограничения, науке известно уже очень многое о наследственности человека, а наиболее существенно то, что все общие закономерности наследования, подробно изученные на животных, растениях и других организмах, относятся и к человеку — они справедливы для всего живого. В главах II-IV содержится краткое изложение этих общих закономерностей наследования. Наследованием называется передача генетической информации от одного поколения организмов к другому. На основе этой информации происходит развитие признаков организма, поэтому говорят и о наследовании признаков, хотя наследуются, строго говоря, не признаки, а гены. В основе наследования лежат процессы удвоения, объединения и распределения генетического материала.

Обычно наследование подразделяют на аутосомное (наследуемые гены располагаются на аутосомных хромосомах (хромосомы (греч. chroma — цвет и soma — тело) — линейные структуры, и которые организованы гены в ядре клетки; хромосомы можно окрашивать, и вследствие этого они становятся видимыми под микроскопом.)) и сцепленное с полом (наследуемые гены располагаются на половых хромосомах). Кроме того, различают доминантное (полное и промежуточное) и рецессивное наследование; наследование, зависимое от пола, и наследование, контролируемое (ограниченное) полом; наследование моногенное (наблюдаемые различия между особями обусловлены аллелями одного гена) и наследование полигенное (наблюдаемые различия между особями обусловлены аллелями нескольких генов). Общие закономерности наследования систематизированы в рамках так называемой хромосомной теории наследственности — учении о локализации наследственных факторов в хромосомах клеток. Главным положением этой теории является утверждение о том, что преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом. Центральными являются понятия «генотип», «хромосома», «ген» и «аллель». Коротко рассмотрим их.

1. ГЕНОТИП И ФЕНОТИП

Понятия «генотип» и «фенотип» интимным образом связаны с понятиями «наследственность» и «среда», но не идентичны им. Эти понятия ввел В. Иоганнсен в 1909 г. Понятием «генотип» обозначается сумма всех генов организма, наследственная конституция организма, совокупность всех наследственных задатков данной клетки или организма, т.е. набор генов, состоящих из молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и организованных в хромосомный ряд. Генотип организма является результатом слияния двух гамет (яйцеклетки и оплодотворяющего ее спермия). Понятием «фенотип» обозначаются любые проявления живущего организма — его морфологические, физиологические, психологические и поведенческие особенности. Фенотипы не наследуются, а формируются в течение жизни; они — продукт чрезвычайно сложного взаимодействия генотипа и среды. Важно отметить, что существуют единичные признаки, фенотип которых полностью определяется их генетическими механизмами. Примеры таких признаков — полидактилия (наличие добавочного пальца) или группа крови человека. Однако подобных признаков совсем немного, и за очень редким исключением фенотип признака определяется совместным влиянием генотипа и среды, в которой этот генотип существует. Для любого генотипа существует диапазон сред, в котором он может проявить себя «максимально»; среду, одинаково благоприятную для всех генотипов, найти нельзя. Дело не в обогащенности сред, а в их качественном разнообразии. Сред должно быть много, чтобы у каждого генотипа была возможность найти «свою» среду и реализоваться. Однообразная среда, какой бы обогащенной она ни была, будет благоприятствовать развитию только определенных, а не всех генотипов.

2. ГЕНОТИП, ГЕН, АЛЛЕЛЬ

До сих пор мы использовали широкое определение генотипа, а теперь обратимся к его узкому определению. В узком смысле генотип есть совокупность аллелей гена или группа генов, контролирующих развитие и проявление анализируемого признака у данного организма. Ген (греч. genos — род, происхождение) представляет собой единицу генетического материала. Гены выполняют несколько функций, одна из которых заключается в кодировании первичной структуры полипептида (белка). В основе формирования молекулы любого белка лежат всего четыре химических вещества, а именно четыре азотистых основания (аденин — А, гуанин — G, тимин — Т и цитозин — С). В организме эти азотистые основания — нуклеотиды — образуют дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), а гены представляют собой участки ДНК, различающиеся порядком расположения этих оснований. У всех живых организмов сходные системы осуществляют сначала транскрипцию (переписывание), а затем трансляцию (перевод) генетической информации, хранящейся в генах. Результатом этих двух процессов является производство белков, состоящих из разных комбинаций 20 главных аминокислот. Изменение структуры даже одного единственного гена (мутация) может привести к синтезу видоизмененного белка, который во многих случаях утрачивает или меняет свою биологическую функцию. Последствия подобных явлений обнаруживаются как определенный фенотип. Кроме того, часто бывает так, что изменение одного белка вызывает цепную реакцию в организме, приводя к изменению множества фенотипических признаков (так называемый феномен плейотропии).

Ген может существовать в нескольких структурных состояниях (аллелях). Аллели (греч. allenon — различные формы) — это альтернативные формы гена, определяющие альтернативные формы одного и того же признака. Они возникают в результате изменений структуры гена за счет таких генных процессов, как мутация и рекомбинация. Аллели, обусловливающие развитие признаков, типичных для вида, называют аллелями дикого типа, а происходящие от них аллели — мутантными. Качественное отличие аллелей друг от друга проявляется, в частности, на биохимическом уровне. Иными словами, если провести сравнительный биохимический анализ белков, формируемых разными аллелями одного гена, то они будут отличаться друг от друга по каким-нибудь признакам, например по составу нуклеотидов. Несколько неточной, но тем не менее иллюстративной аналогией соотношения понятий «ген» и «аллель» может служить аналогия из ботаники: понятие «ген» в этой аналогии соответствует понятию «семейство», а понятие «аллель» — понятию «конкретное растение, относящееся к этому семейству». Иначе говоря, ген — понятие собирательное, «родовое», а его конкретным воплощением является аллель, т.е. реально гены существуют только в форме аллелей. В норме у каждого человека имеется два аллеля каждого гена — по одному аллелю на каждой из хромосом. Но в популяциях  каждый ген может встречаться в виде множества аллелей. Наличие нескольких аллелей каждого гена в популяциях обеспечивает определенный уровень генетического полиморфизма (например, три аллеля обусловливают существование четырех групп крови у человека) и комбинативной изменчивости.

Даже из одной пары аллелей (А, а) можно составить несколько комбинаций (АА, аа, Аа). Когда организм является носителем двух аллелей дикого типа АА или двух мутантных аллелей аа, то говорят, что этот организм гомозиготен (от греческого слова, обозначающего «подобный») по аллелю А или по аллелю а. Если же организм содержит один аллель А и один аллель а, то его называют гетерозиготным (от греческого слова, обозначающего «непохожий»). Существует несколько типов взаимодействия аллелей, ведущими среди которых являются доминантность и рецессивность. Доминантностью называют участие только одного аллеля в определении фенотипического признака у гетерозиготной особи. Этот тип взаимодействия аллелей был открыт еще Г. Менделем в его первых классических опытах (гл. II). Доминантные аллели обозначаются заглавными буквами А, В и т.д. При отсутствии доминирования в строгом смысле этого слова (т.е. когда признак, исследуемый у гибрида, не повторяет признак, имеющийся у родителей, при любом сочетании аллелей) обычно различают проявление следующих вариантов фенотипа: неполное доминирование, сверхдоминирование и кодоминантность. Типы доминантности отличаются друг от друга по степени выраженности фенотипов гомозигот и гетерозигот. При доминантности фенотип гетерозиготы (Аа) повторяет фенотип гомозиготы по доминантному аллелю (АА); при неполном доминировании фенотип гетерозиготы Аа по своей выраженности занимает промежуточное положение между фенотипами АА и Аа; при сверхдоминировании наиболее сильно фенотипический признак выражается у Аа (сильнее, чем у любой из гомозигот АА и аа); наконец, при кодоминантности в детерминации признака у гетерозиготы Аа участвуют оба аллеля. Рецессивностью называют отсутствие фенотипического проявления одного аллеля у гетерозиготной особи, Рецессивные аллели обозначаются малыми буквами а, в и т.д. Человек является носителем пары аллелей каждого гена, а по наследству своим потомкам он передает только один аллель, поскольку половые клетки (яйцеклетка или спермий) содержат по одной хромосоме каждой пары. Этот механизм обеспечивает случайное перекомбинирование аллелей в каждом последующем поколении, в результате чего ни один потомок не воспроизводит полностью генетическую индивидуальность своего родителя. Таким образом, разные аллели сочетаются у конкретного человека только на исторически короткий временной промежуток — на период существования этого человека как организма. Для нормального развития и функционирования человеческого организма необходима координация усилий, по крайней мере, 100 000 генов. Упрощая ситуацию, представим, что каждый из этих генов имеет, по крайней мере, один вариант, встречающийся только у одного человека из тысячи (т.е. каждый ген имеет два аллеля, один из которых встречается часто, а другой редко). Вероятность того, что у случайно взятого человека не будет найдено редких вариантов ни одного из генов, составит (1 - 0,001) 100000 = 3,54е -44, т.е. бесконечно малую величину. Отсюда можно с определенной уверенностью сказать, что каждый из нас наверняка отличается от всех своих не родственников по крайней мере одним геном. Обратите внимание на то, что данные расчеты были проделаны при весьма консервативном предположении о том, что все гены представлены только двумя альтернативными формами (т.е. каждый ген имеет лишь два аллеля). Однако существует множество генов, для которых сегодня известно множество (иногда до 40) аллелей; большинство из 100 000 генов, необходимых для развития человеческого организма, отличаются удивительным богатством альтернативных форм. Если же мы проведем расчеты, подобные проведенным выше, для генов с большим количеством аллелей, то станет понятно, что вероятность появления двух генетически одинаковых людей, даже родственников, практически нулевая. Можно смело утверждать, что за исключением однояйцевых близнецов, развивающихся из одной оплодотворенной яйцеклетки и потому являющихся генетически идентичными индивидуумами, мы генетически неповторимы; генетическая индивидуальность каждого из нас уникальна.

3. ХРОМОСОМЫ

Каким же образом осуществляются хранение и передача по наследству такого невероятно большого количества генов, вовлеченных в развитие и формирование человеческого организма? В ядре клетки гены не «свалены в кучу», а организованы в линейные структуры — хромосомы, которые представляют собой продолговатые вытянутые тельца (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Хромосомы человека. 22 пары аутосом, одинаковых у обоих полов, и по одной паре половых хромосом: XX— у женщин, XY— у мужчин (фотография сделана при увеличении примерно в 2000 раз).
Рис. 1.1. Хромосомы человека. 22 пары аутосом, одинаковых у обоих полов, и по одной паре половых хромосом: XX— у женщин, XY— у мужчин
(фотография сделана при увеличении примерно в 2000 раз).

По своей структуре все хромосомы человека трехчленны, т.е. содержат короткое плечо, длинное плечо и центромеру (рис. 1.2).

Рис. 1.2. 23 пары хромосом человека.
Рис. 1.2. 23 пары хромосом человека.
Короткое плечо (вверх от центромеры) — плечо р, длинное плечо (вниз от центромеры) — плечо q.
Окрашенные с помощью специальных химических веществ диски на хромосомах используются для опознания хромосом и описания хромосомных координат генов. Хромосомные координаты задаются посредством упоминания номера хромосомы, ее плеча и номера диска.
Например, символ 6р25 означает: диск 5 на локусе 2 короткого плеча хромосомы 6. XY— половые хромосомы.

Гены человека распределены в строго универсальном порядке по 23 парам хромосом; хромосомы, составляющие пару, называются гомологичными хромосомами. Каждая хромосома из пары получена от одного из родителей, т.е. одна хромосома в организм человека приходит от отца, вторая — от матери. Двадцать две пары хромосом называются аутосомами, их набор одинаков для особей мужского и женского полов. Двадцать третья пара — это пара, которая определяет пол и соответственно различается по своей структуре у мужчин и женщин: женщины являются носителями двух Х-хромосом, а мужчины — одной Х- и одной Y-хромосомы (рис, 1.2). Число хромосом в клетках тела человека в два раза больше, чем в его половых клетках — гаметах. Следовательно, в гамете каждый ген представлен только одной копией; иначе говоря, каждая гамета содержит лишь один аллель данного гена. В процессе формирования гамет хромосомный набор делится случайным образом надвое, хромосомы каждой пары расходятся по разным половым клеткам, и каждая гамета получает, таким образом, случайный набор хромосом, а следовательно, случайный набор генов. При слиянии гамет образуется зигота — оплодотворенная яйцеклетка, в которой оказывается по две хромосомы каждого типа, образующие пары гомологичных хромосом — по одной от мужской и женской гаметы. Оплодотворенное яйцо диплоидно, как и подавляющее большинство клеток организма, которому (путем клеточного деления, или митоза) оно дает начало; диплоидны, в частности, и те клетки, из которых затем образуются гаметы. Каждая из таких гаметообразующих клеток претерпевает особое деление — мейоз. В процессе мейоза гомологичные хромосомы обмениваются участками (кроссинговер), так что четыре гаметы, происходящие от клетки-прародителя, могут содержать разные комбинации генов. Этот обмен — одна из многих «лотерей» наследственности, разыгрываемых природой (подробнее об этом — в гл. IV). Еще одна «лотерея» разыгрывается, например, в момент встречи мужской и женской клеток. Если не принимать в расчет кроссинговер, то теоретически может возникнуть 223, т.е. примерно 8 миллионов, различных равновероятных комбинаций хромосом. Следовательно, при оплодотворении число равновероятных комбинаций может достигать 8·106 х 8·106 = 64·1012 (64 триллиона комбинаций). Кто из нас может представить себе такое число? Таков еще один «прием» природы, обеспечивающий нашу неповторимость: каждый из нас, как и наши родители, дедушки, бабушки и их предки, является продуктом уникальной генетической комбинации.

Митоз (греч. mitos — нить) происходит следующим образом: в процессе деления клетки делятся на две «дочерние клетки», каждая из которых, в свою очередь, еще раз делится на две клетки, и т.д. Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении редуплицированных (точно скопированных) хромосом между дочерними клетками, что обеспечивает образование генетически равноценных клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений. Большинство клеток нашего организма проходят типичный клеточный цикл, длящийся в среднем примерно 24 часа (примерно 8 часов занимает стадия начального роста клетки; примерно 6 часов — репликация хромосом, во время которой активно синтезируется ДНК; примерно 5 часов — вторичный рост клетки, и, наконец, непосредственный процесс образования двух дочерних клеток занимает примерно час). Другие клетки делятся только в ограниченный период времени (например, нейробласты, предшественники нервных клеток) или только вследствие повреждения (например, клетки печени). Мейоз (греч. meiosis — уменьшение) представляет собой особый способ деления клеток, приводящий к редукции числа хромосом и к переходу клетки из диплоидного состояния в гаплоидное. В результате мейоза формируются половые клетки — гаметы. Как и в митозе, этот процесс начинается с удвоения количества хромосом, но каждая клетка при мейозе делится дважды, поэтому исходная диплоидная (т.е. создающая парные хромосомы) клетка производит 4 гаметы, каждая из которых содержит гаплоидное число хромосом (по одной хромосоме из каждой пары). Один из членов каждой гомологической хромосомной пары попадает в одну из производимых гаметных клеток. Хромосомный набор (число, размер, форма хромосом) человека называется его кариотипом. Обычно описание хромосомного набора проводится на определенных стадиях митоза. В это время их фиксируют, окрашивают, и тогда каждая хромосома становится отчетливо видимой.

Рис. 1.3. Набор хромосом мужчины (фотография сделана при увеличении примерно в 2000 раз).
Рис. 1.3. Набор хромосом мужчины (фотография сделана при увеличении примерно в 2000 раз).

На рис. 1.3 изображена микрофотография хромосом человека (мужчины): их 46, или 23 пары, включая одну пару половых хромосом (Х- и Y-хромосомы). Несмотря на то что мейоз и митоз - процессы чрезвычайно точные, в ходе деления клетки возможны ошибки. Хромосомные ошибки называются хромосомными аберрациями (или хромосомными перестройками), они ведут к искажению нормального кариотипа человека. Подобные ошибки возникают спонтанно, но чаще под влиянием определенных средовых факторов (так называемых мутагенов). Различают два вида хромосомных перестроек: а) перестройки, затрагивающие одну хромосому, это — делеции, дефишенсы (концевые нехватки хромосом), дупликации, инверсии, и б) перестройки, затрагивающие две хромосомы — транслокации, в основе которых лежит обмен участками между негомологичными хромосомами. В некоторых случаях в ходе мейоза хромосомы не расходятся, и одна из гамет получает две копии одной хромосомы, а другая — ни одной. При слиянии гаметы, содержащей «лишнюю» хромосому, с нормальной гаметой развивается организм, содержащий три копии одной хромосомы. Этот феномен известен под названием трисомия.

Рис. 1.4. Кариотип человека с трисомией хромосомы 15.
Рис. 1.4. Кариотип человека с трисомией хромосомы 15.
В клетках носителя этого кариотипа не 46, а 47 хромосом за счет наличия не двух, а трех хромосом 15.

Рис. 1.4 воспроизводит микрофотографию кариотипа человека с трисомией хромосомы 15. При слиянии же нормальной гаметы с гаметой, потерявшей в мейозе одну из хромосом, развивается организм, содержащий только одну копию данной хромосомы. Это явление называется моносомией. Хромосомы имеют очень сложное строение, но уже в 1924 г., не зная об этих сложностях, биолог Р. Фёльген показал, что в них содержится ДНК. Однако ученым понадобилось еще несколько десятилетий, чтобы соотнести ДНК с так называемыми «единицами наследственности» и прийти к выводу, что ДНК организована и гены, которые, в свою очередь, располагаются в линейном порядке на хромосомах. Распределение генов по хромосомам неравномерно: на некоторых хромосомных участках концентрация генов высока, на других - относительно низка. Каждый ген имеет свои хромосомные координаты. Для удобства обозначения этих координат хромосомы поделены на специальные единицы, называемые локусами. Локусы неодинаковы по своей длине, но, тем не менее, они используются как специальные «дорожные столбы», обозначающие дистанции, пройденные по хромосоме. Если принять длину всех хромосом генома человека за 100%, то гены, контролирующие синтез белков (так называемые структурные гены), составят примерно 5% всего хромосомного материала. Среди остальных 95% относительно небольшая часть его организована в гены-регуляторы, т.е. гены, управляющие активностью других генов. Насколько сегодня известно, большая часть хромосом состоит из последовательностей нуклеотидов, вообще ничего не кодирующих.