Основні поняття і закони генетики

Сучасна Р. розглядає спадковість як корінне, невіддільне від поняття життя властивість всіх організмів повторювати у ряді послідовних поколінь схожих типів біосинтезу і обміну речовин в цілому. Це забезпечує структурну і функціональну спадкоємність живих істот — від їх внутріклітинного апарату до морфо-фізіологічної організації на всіх стадіях індивідуального розвитку. Спадкова мінливість, тобто постійно виникаючі зміни генотипічної основи організмів, і спадковість поставляють матеріал, на основі якого природний відбір створює різноманіття форм життя і забезпечує поступальний хід еволюції. Одне з корінних положень сучасною Р. полягає в тому, що спадкова інформація про розвиток і властивості організмів міститься головним чином в молекулярних структурах хромосом, увязнених в ядрах всіх кліток організму і передаваних від батьків нащадкам. Біохімічні процеси, лежачі в основі індивідуального розвитку організму, здійснюються на базі інформації, що поступає з ядра, в цитоплазматичних структурах клітки. Деякі клітинні органели, зокрема хлоропласти і мітохондрії, володіють генетичною автономією, тобто містять спадковий матеріал. Проте в явищах спадковості вирішальна роль належить ядру, як це було показано, наприклад, в експериментах радянського ученого Б. Л. Астаурова (див. Андрогенез ).

Закономірності дискретного спадкоємства. Одін з фундаментальних принципів Р. — дискретність спадкових чинників, що визначають розвиток ознак і властивостей. Ознаки батьківських особин при схрещуванні не знищуються і не змішуються. Розвиваючись у гібридних особин першого покоління або у формі, характерній для одного з батьків, або в проміжній формі, вони знов виявляються в певних співвідношеннях в подальших поколіннях як це було вперше показано Р. Менделем. Схрещуючи раси садового гороху, що розрізняються по забарвленню сім'ядолею (жовті і зелені), Мендель спостерігав, що все гібридне насіння першого покоління мали жовті сім'ядолі; насіння другого покоління, що отримується при самозапиленні рослин першого покоління, мало і жовті і зелені сім'ядолі; відношення між кількостями такого насіння дорівнювало 3:1. Це явище називається розщеплюванням. Ознака, що пригнічує в гібридів першого покоління розвиток контрастуючої ознаки (жовте забарвлення сім'ядолею), називається домінантним, пригнічувана ознака (зелене забарвлення сім'ядолею) — рецесивним. Насіння другого покоління, що має жовте забарвлення сім'ядолею, генетично неоднорідне. Третина цього насіння константна відносно ознаки жовтого забарвлення сім'ядолею, рослини ж, що розвиваються з останніх 2 / 3 жовтого насіння, при самозапиленні знов розщеплюються по забарвленню насіння відносно 3:1. Зелені насіння генетично однорідне: при самозапиленні рослин, що розвиваються з такого насіння, розщеплювання відсутнє і всі вони дають лише зелене насіння.

Для зручності аналізу явищ спадкоємства ознак Мендель ввів буквену символіку. Гени домінантних ознак позначаються заголовними буквами алфавіту, рецесивних — рядковими. Спадкову основу організму, константного відносно якої-небудь домінантної ознаки, можна позначити формулою АА , генетична формула організму з рецесивною ознакою — аа . При схрещуванні організмів АА ´ аа виникає гібридна форма, спадкову основу якої можна виразити формулою Аа . Букви А і а позначають відповідно гени, що впливають на розвиток однієї і тієї ж ознаки, в даному прикладі — забарвлення сім'ядолею. Організми, гени, що несуть лише, обумовлюють розвиток домінантного ( АА ) або рецесивної ( aa ) ознаки, називаються гомозиготними; організми, що несуть і ті та інші гени ( Aa ), — гетерозиготними. Гени, що займають одне і те ж положення в гомологічних хромосомах і впливають на розвиток одних і тих же ознак, називають алельними генами (див. Аллелі ). Явище розщеплювання ознак гібридних (гетерозиготних) організмів засноване на тому, що статеві клітки (гамети) гібридів несуть лише один з двох отриманих ними від батьків алельних генів (або А , або а ). У цьому полягає принцип чистоти гамет, що відображає дискретність структури спадкового матеріалу. Чистота гамет пояснюється розбіжністю в мейозі гомологічних хромосом і локалізованих в них алельних генів в дочірні клітки, а числові співвідношення типів в потомстві від схрещування гетерозиготних особин — рівною імовірністю зустрічі гамет і укладених в них генів при заплідненні.

Якщо вести аналіз лише за однією ознакою, то виявляються два типи нащадків: один — з домінантним, інший — з рецесивною ознакою (відносно 3:1); якщо ж врахувати генетичну структуру організмів, то можна розрізнити вже трьох типів нащадків: 1 AA (гомозиготні за домінантною ознакою), 1 Aa (гетерозиготні), 1 aa (гомозиготні за рецесивною ознакою). Проведений Менделем аналіз спадкоємства двох різних ознак (наприклад, забарвлення сім'ядолею і форми насіння гороху) показав, що в потомстві гібридних (гетерозиготних) особин має місце розщеплювання по обох цим ознакам, причому обидва вони комбінуються в другому поколінні нащадків незалежно один від одного. Оскільки при розщеплюванні за кожною ознакою виникають два типи нащадків відносно 3:1, то для випадку двох незалежно успадкованих ознак в другому поколінні — чотири типи нащадків у відношенні: (3+ 1)´(3 +1)=9+3+3+1, тобто 9 / 16 нащадків з обома домінантними ознаками, 3 / 16 — з першим домінантним, другим рецесивним, 3 / 16 — з першим рецесивним, другим домінантним, 1 / 16 — з обома рецесивними ознаками. У випадках повного домінування можна розрахувати співвідношення типів нащадків від схрещування особин, що розрізняються по будь-якому числу ознак, по формулі розкладання бінома (3+1) n , де n — число пар генів, по яких розрізняються схрещувані батьківські форми. Незалежність спадкоємства, тобто вільне комбінування, властива тим ознакам, за розвиток яких відповідають гени, лежачі в різних (негомологічних) хромосомах. Т. о., причина незалежного спадкоємства — в незалежній розбіжності негомологічних хромосом в мейозі. Подальший детальний аналіз закономірностей спадкоємства показав, що сукупність ознак організму ( фенотип ) далеко не завжди відповідає комплексу його спадкових завдатків генотипу ), оскільки навіть на однаковій спадковій основі ознаки можуть розвиватися по-різному під впливом різних зовнішніх умов. Спадково-обумовлені ознаки можуть не виявитися у фенотипі або через них рецесивності, або під впливом тих або ін. чинників зовнішнього середовища. Якщо фенотип особини доступний безпосередньому спостереженню, то про її генотип з найбільшою повнотою можна судити на основі вивчення нащадків, отриманих в певних схрещуваннях. Індивідуальний розвиток організмів і формування їх ознак здійснюються на основі генотипу залежно від умов зовнішнього довкілля, одна з основоположних теорій Р. — хромосомна теорія спадковості . Наріжне положення цієї теорії полягає в тому, що за розвиток певних властивостей і ознак організму відповідальні строго локалізовані ділянки — гени, розташовані в хромосомах в лінійному порядку. Процес подвоєння хромосом забезпечує також подвоєння генів і передачу їх в кожну знов виниклу клітку. Гени, локалізовані в межах однієї хромосоми, складають одну групу зчеплення і передаються спільно; число груп зчеплення дорівнює числу пар хромосом, постійному для кожного виду організмів (див. Каріотип ). Ознаки, залежні від зчеплених (тобто розташованих в одній хромосомі) генів, також успадковуються спільно. Зчеплене спадкоємство ознак може порушуватися в результаті кросинговера, ведучого до перерозподілу під час мейозу генетичного матеріалу між гомологічними хромосомами (див. Рекомбінація ). Чим ближче один до одного розташовані гени, тим менше вірогідність їх рекомбінації. На частоту рекомбінації впливають також пів особини, їх фізіологічний стан, а також зовнішні умови (температура і ін.). Частота рекомбінації може служити мірилом відстані між генами. На цій основі розроблені методи визначення положення генів в хромосомі і для ряду рослин і тварин складені т.з. генетичні карти хромосом . Для дрозофіли і кукурудзи складені також цитологичеськие карти хромосом, на яких гени локалізовані у визначених, видимих під мікроскопом ділянках хромосом. Генетичні і цитологичеськие карти доповнюють і підтверджують один одного.

Доведене, що один ген може впливати не на один, а на багато ознак організму ( плейотропія ), в той же час розвиток кожної ознаки залежить не від одного, а від багатьох генів ( полімерія ). Доведено також, що функції гена і його вплив на фенотип залежать від фізичного положення гена в генетичній системі (ефект положення), від сукупності останніх генів (генотипічного середовища) і від зовнішніх умов. Фенотипічне вираження гена — експресивність, так само як і його прояв — пенетрантність, тобто наявність або відсутність контрольованого даним геном ознаки, можуть варіювати в залежності як від зовнішніх умов, так і від генотипу. Під впливом різних зовнішніх дій гени можуть змінюватися — мутувати. До незалежної мутації здатні також елементарні одиниці, що входять до складу гена. Всі ці факти свідчать про складність матеріальної структури гена, життя, що еволюціонувало в процесі розвитку, на Землі, після того, як були розкриті молекулярні основи організації спадкових структур і процесів, які лежать в основі передачі спадкової інформації в клітці (і в організмі) і в поколіннях кліток (і організмів), з'ясувалося, що гени контролюють процеси синтезу білків в клітках і що генні мутації (зміни хімічної структури генів) ведуть до зміни хімічної структури білків (що у ряді випадків зводиться до заміни однієї амінокислоти інший). Матеріальним носієм генетичної інформації служить гігантський полімер — дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), що входить в якості найважливішого компонента в структуру хромосом всіх організмів, за винятком деяких вірусів, що містять puбонуклеuновую кислоту (РНК).

При подвоєнні молекул ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) в процесі клітинного ділення дочірні молекули за участю специфічних ферментів будуються, як на шаблоні, на материнських молекулах і точно комплемент відтворюють їх. «Записаний» в молекулярних структурах (послідовності нуклеотидів) ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) генетичний код визначає порядок розташування амінокислот в білковій молекулі. Передача інформації з ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) на тих, що синтезуються білки здійснюється за допомогою РНК(рибонуклеїнова кислота). Молекули РНК(рибонуклеїнова кислота) будуються на основі ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) і комплементарни нею; внаслідок цього кодуюча структура ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) відтворюється в молекулах РНК(рибонуклеїнова кислота) (див. Комплемент ). У клітці є декілька типів РНК(рибонуклеїнова кислота): інформаційна (І-РНК), транспортна (Т-РНК), рибосомна (Р-РНК). Вони розрізняються по величині молекул, структурі і функції. Порядок розташування амінокислот в білкових молекулах контролюється високополімерній І-РНК; біосинтез білка відбувається в цитоплазматичних рібонуклеопротєїдних (белок+р-РНК) структурах — рибосомах — за допомогою ферментів — АМІНОАЦИЛ-Р-РНК-СИНТЕТАЗ і енергії аденозинтрифосфату (АТФ), що запасається в мітохондріях. Транспортування амінокислот до рибосом здійснюється з допомогою порівняно нізкополімерной Т-РНК. Структура І-РНК визначає місце і порядок розташування амінокислот в молекулах білка — первинну структуру білкових молекул і їх основні властивості. Ген, тобто ділянка молекули ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), контролююча синтез поліпептидних ланцюгів того або іншого білка, називається структурним геном. В ряду мікроорганізмів (кишкова паличка, сальмонелла), а також у фагов добре вивчені структура і функції багатьох структурних генів (цистронов): встановлено, що структурні гени, контролюючі синтез ферментів певної послідовності реакцій, зчеплені в блоки (оперони). Є структури (т.з. оператори), що «включають» синтез І-РНК структурними генами. Оператори, у свою чергу, знаходяться під контролем генів-регулювальників. Т. о., гени складають складну систему, що забезпечує строге узгодження процесів біосинтезу в клітці і в організмі в цілому. У клітках у функціонально активному стані знаходиться лише частина генів; активність останніх пригнічена, репресована. У зв'язку із закономірною зміною станів активності генів і їх депресії міняється і спектр білків, що синтезуються в клітці. Так, в людського плоду синтезується гемоглобін ембріонального типа; лише до 1 року у дитяти гемоглобін ембріонального типа поступово заміщається нормальним гемоглобіном дорослої людини, Динаміку активного і репресованого станів генетичного апарату удалося спостерігати і безпосередньо — за допомогою мікроскопічних і цитохимічеських методів — на гігантських хромосомах в клітках слинних залоз личинок деяких двокрилих (дрозофіла, хирономус). Для кожної стадії розвитку організму характерна строго певна картина синтетичної активності хромосом: деякі ділянки їх знаходяться в стані сильної активності і синтезують РНК(рибонуклеїнова кислота), тоді як ін. ділянки на цих стадіях розвитку функціонально не активні, але стають активними на ін. стадіях. Виявилось, що у ряді випадків регулювальниками функціональної активності генетічеськиого апарату є гормони. Проблема генетичних аспектів онтогенезу — одна з найбільш актуальних в сучасній біології.

Генетичний апарат функціонує в тісній взаємодії з позахромосомними, або позаядерними, компонентамі клітки. Багато фактів свідчать про важливу роль цитоплазми в здійсненні розвитку організму а у ряді випадків — в спадкоємстві (див. Спадковість цитоплазматична ). Наприклад, обумовлена загибеллю пилку чоловіча стерильність в кукурудзи і ін. рослин — результат взаємодії певних цитоплазматичних і ядерних чинників. Давно відомі факти пластідной спадковості. Властивості цитоплазми грають велику роль при міжвидових схрещуваннях, значною мірою визначаючи життєздатність і плодючість гібридів. У свою чергу, властивості цитоплазми знаходяться під контролем ядерного апарату, зміна якого в ході схрещувань веде до зміни властивостей цитоплазми.

Закономірності мутаційного процесу. Спадкова різноманітність особин створюється, з одного боку, за рахунок рекомбінації генів при схрещуванні, з іншої — в результаті зміни самих генів, тобто за рахунок мутацій. Розрізняють слід.(наступний) основні типи мутацій: геноми, хромосомні і точковиє. До мутацій геномів відноситься поліплоїдія [збільшення числа хромосом, кратне основному, або гаплоїдному ( n ), їх числу], в результаті якої виникають тріплоїди, тетраплоїди і т. д., тобто організми з потрійним ( 3n ), збільшеним ( 4n ) учетверо і так далі числом хромосом в соматичних клітках. Особливо велике еволюційне значення має амфідіплоїдія, тобто подвоєння числа хромосом кожного батька у віддалених (міжвидових і міжродових) гібридів, що забезпечує нормальний хід мейозу у них і відновлення плодючості звичайно стерильних гібридів. Вперше це показав Г. Д. Карпеченко (1927), отримавши плідні капустяно-редькові гібриди. Багато видів культурних рослин — природні амфідіплоїди. Так, 42-хромосомні пшениці — складні амфідіплоїди (гексаплоїди), що несуть геноми дикої однозернянки і двох видів егилопса, — родинних пшениці диких злаків; в кожного з цих видів диплоїдний набір хромосом ( 2n ) дорівнює 14. Гібридне (амфідіплоїдноє) походження доведене також для вівса, бавовника, тютюну, цукрового очерету, сливи і ін. культурних і диких рослин. Некоториє з цих видів штучно ресинтезіровани (наприклад, слива — радянським генетиком Ст А. Рибіним) шляхом схрещування вихідних форм і подальшого використання експериментальної поліплоїдії, До мутацій геномів відноситься також анеуплоїдія (гетероплоїдія), тобто збільшення або зменшення числа хромосом однієї або декількох гомологічних пар, що веде до змін ряду ознак організму і у людини може служити причиною важких захворювань.

Мутації, що відносяться до групи хромосомних перебудов, включають різних типів реорганізацій (аберації) хромосом і перерозподіл їх генетичного матеріалу в межах генома. Сюди відносяться транслокації, тобто взаємні обміни негомологічними ділянками між хромосомами; інверсії — повороти якої-небудь ділянки хромосоми на 180°, що викликає зміну порядку розташування генів в хромосомі; делециі — втрати частин хромосом; дуплікациі — подвоєння окремих ділянок хромосом. Багато хто з цих змін робить більш менш значний вплив на фенотип, що свідчить про залежність дії генів від їх положення в геномі.

Особливе значення в процесі еволюції і селекції мають точковиє мутації. До групи точкових відносять всі мутаційні зміни, при яких не удається цитологичеськимі методами виявити які-небудь порушення структури окремих хромосом. У цю групу включають як дрібні делециі, дуплікациі і інверсії, так і зміни спадкової коди на молекулярному рівні (дійсні генні мутації). Провести грань між цими двома групами змін часто не удається. Аналіз на молекулярному рівні генних мутацій у вірусів показав, що вони викликані втратою або вставкою окремих нуклеотидів в молекулі ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) або заміною одних азотистих підстав іншими ( транзіциі і трансверсії ) в процесі реплікації (копіювання) ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота).

Здібність до мутацій властива всім генам як в статевих, так і в соматичних клітках організмів. Спонтанні мутації окремих генів рідкі, в середньому їх частота дорівнює одній мутації на 100—200 тис. або навіть на 1 млн. генів, а інколи і ще менше. Це має певний еволюційний сенс, оскільки створює стабільність спадкової системи, без чого неможливе існування самого життя. Стабільність забезпечується, зокрема, наявністю ферментів, під дією яких відбувається репарація порушень, що виникають в спадкових структурах. Різні гени мутують неоднаково часто що свідчить про залежність мутабільності як від структури гена, так і від останнього генотипу. Фізіологічний стан клітки і всього організму, зокрема його вік, а також багато умов зовнішнього середовища сильно впливають на темп мутагенезу. Більшість мутацій рецесивна; як правило, вони несприятливо впливають на організм, роблячи його частково або повністю нежиттєздатним.

Сильною мутагенною дією, т. е. здатністю у багато разів підвищувати частоту мутацій, володіють всі види іонізуючих випромінювань, ультрафіолетові промені і ряд хімічних речовин. Всі ці агенти широко використовуються в генетичній і селекційній практиці для здобуття форм мутантів мікроорганізмів і рослин. Мутації не мають пристосовного характеру і не адекватні чинникам, що діють на організм: під впливом одних і тих же дій можуть виникати мутації різних генів; в той же час при різних діях можуть мутувати одні і ті ж гени. На цій підставі сформульований принцип неспрямованості мутаційного процесу.

Проте і при природному, і при штучно індукованому мутагенезі, особливо викликаному хімічними мутагенами, виявляється відома специфічність спектру виникаючих мутацій, що пов'язане як зі своєрідністю механізму дії мутагену, так і з особливостями генотипу організмів. Наприклад, дія на клітки, що діляться, алкалоїдом колхіцином веде до поліплоїдізациі кліток, ніж широко користуються для здобуття нових форм рослин методами експериментальної поліплоїдії. Ультрафіолетові промені і хімічні мутагени індукують переважно генні мутації, тоді як нейтрони викликають значний відсоток перебудов хромосом. Виявлені факти специфіки мутації певних генів при різних мутагенних діях, в дослідах на вірусах і бактеріях виявлене виборче дія деяких хімічних мутагенів на певні азотисті підстави, що входять в молекулу ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота). Т. о., Р. впритул личить до вирішення проблеми управління мутаційним процесом на молекулярному рівні. Проте корінна проблема сучасної науки — направлене здобуття мутацій в складних багатоклітинних організмів — залишається ще не вирішеною.