Хромосомная теория наследственности

Сцепленное наследование признаков. Как мы отмечали в прошлой лекции, независимое наследование призна­ков при ди- и полигибридном скрещивании бывает в случае, если гены этих признаков локализованы в разных хромосомах. Но количество хромо­сом ограничено по сравнению с количеством признаков. У большинства животных организмов число хромосом не превышает 100. В то же время число признаков, каждый из которых контролируется по крайней мере одним геном, значительно больше. Так, например, у дрозофилы изучено 1000 генов, которые локализованы в четырех парах хромосом, у человека известно несколько тысяч генов при 23 парах хромосом и т.д. Отсюда сле­дует, что в каждой паре хромосом располагается много генов. Естественно, что между генами, которые находятся в одной хромосоме, наблюдается сцепление, и при образовании половых клеток они должны передаваться вместе.

Сцепленное наследование признаков открыли в 1906 г, английские генетики В.Бетсон и Р.Пеннет при изучении наследования признаков у душистого горошка, но они не смогли дать теоретическое объяснение этому явлению. Природу сцепленного наследования выяснили американские иссле­дователи Т. Морган и его сотрудники С. Бриджес и А. Стертевант в 1910 го­ду. В качестве объекта исследований они избрали плодовую мушку дрозо­филу очень удобную для генетических опытов. Достоинства этого объекта исследования следующие: малое число хромосом (4 лары), высокая плодовитость, быстрая сменяемость поколений ( 12-14 суток). Мухи дрозофилы серого цвета, с красными глазами, имеют маленькие размеры (около 3 мм), легко разводятся в лабораторных условиях на простых по составу питательных средах. У дрозофилы выявлено большое число мутантных форм. Мутации затрагивают окраску глаз и тела, форму и размер крыльев, расположение щетинок и др.

Изучение наследования разных пар признаков и их расщепления при дигибридном скрещивании позволило обнаружить наряду с независимым комбинированием признаков явление сцепленного наследования. На основании изучения большого числа признаков было установлено, что все они распределяются на четыре группы сцепления в соответствии с числом хромосом у дрозофилы. Сцепленное наследование признаков связано с локализацией группы определенных генов в одной хромосоме.

Мысль о локализации генов в хромосомах была высказана Сеттоном еще в 1902 году, когда им был обнаружен параллелизм в поведении хромосом в мейозе и наследовании признаков у кузнечика.

Наиболее четкая разница в поведении сцепленных и независимо наследующихся генов выявляется при проведении анализирующего скрещивания.

Рассмотрим это на примере. В первом случае возьмем признаки, гены которых расположены в разных хромосомах.

А В а в

Р === === х === ===

а в а в

Гаметы: АВ, Ав, аВ, ав ав

А В А в а В а в

F === === ; === === ; === === ; === ===

а в а в а в а в

В результате мы получили потомство четырех фнотипических классов в соотношении: 1 : 1 : 1 : 1. Другие результаты будут, если гены А и В лока­лизованы в одной хромосоме.

А В а в

Р =*===*= х =*===*=

а в а в

Гаметы: А В, а в а в

А В а в

F =*===*= ; =*===*=

а в а в

Таким образом, если гены находятся в одной хромосоме в потомстве при анализирующем скрещивании, мы получим два класса потомков похожих на отца и на мать и не будет потомков с признаками отца и матери од­новременно.

Опыты, подтверждающие сцепленное наследование признаков, были проведены Т.Морганом на дрозофиле. Для скрещивания были взяты особи серые с нормальными крыльями (доминантные признаки) и черные с зачаточными крыльями (рецессивные признаки). В результате опытов были получены по­томки только серые крылатые и черные с зачаточными крыльями.

На основании проведенных экспериментов Т.Морган сформулировал закон сцепленного наследования признаков: признаки, гены которых располагаются в одной хромосоме, наследуют­ся сцепленно.

Неполное сцепление. Явление кроссинговера. Наряду с полным сцепленным наследованием признаков Т.Морган в сво­их опытах с дрозофилой обнаружил и неполное сцепленное наследование. При неполном сцепленном наследовании одновременно с формами, похожими на родителей, были обнаружены организмы, у которых наблюдались призна­ки обоих родителей. Однако соотношение этих форм не было равным как при независимом комбинировании. В потомстве явно преобладали формы, схожие с родителями, а организмов рекомбинантов было значительно мень­ше.

Схема неполного сцепленного наследования признаков.

А В а в

Р =*===*= х =*===*=

а в а в

Гаметы: А В, а в, а В, А в а в

без кроссин. кроссоверные

А В а в а В А в

F ====; ====; ====; ====

а в а в а в а в

рекомбинанты

Объяснить этот факт можно следующим образом. Если гены А и В рас­положены в одной хромосоме, а в гомологичной ей хромосоме расположены рецессивные аллели а и в, то отделиться друг от друга и вступить в но­вые сочетания гены А и В могут только в том случае, если хромосома, в которой они расположены, будет разорвана на участке между этими генами и затем соединена с участком гомологичной хромосомы. В 1909 году Ф. Янсенс, изучая мейоз у земноводных, обнаружил в диплотене профазы 1 хиазмы (перекресты хромосом) и высказал предположение, что хромосомы взаимно обмениваются участками. Т.Морган развил это представление в идею об обмене генами приконьюгации гомологичных хромосом, а неполное сцепление было объяснено им как результат такого обмена и названо кроссинговером.

Схема кроссинговера.

А а А а А а

В в в В в В

Кроссинговер может быть одинарным, как показано на схеме, двойным и множественным. Кроссинговер возник в процессе эволюции. Он приводит к появлению организмов с новыми сочетаниями признаков, т.е. к увеличению изменчивости. Изменчивость же является одним из движущих факторов эволюции.

Частота кроссинговера определяется по формуле и выражается в про­центах или морганидах ( 1 морганида равна 1% перекреста ).

число рекомбинантов

Р кроссинговера = х 100%

общее число потомков

Если, например, общее число потомков, полученное в результате ана­лизирующего скрещивания, равно 800, а число кроссоверных форм – 80, то

частота кроссинговера будет:

80

Р кросс. = х 100% = 10% ( или 10 морганид)

800

Величина перекреста зависит от расстояния между генами. Чем дальше удалены гены друг от друга, тем чаще происходит перекрест. Установлено, что количество кроссоверных особей к общему числу потомков никогда не превышает 50%, так как при очень больших расстояниях между генами чаше происходит двойной кроссинговер и часть кроссоверных особей остается неучтенной.

Явление кроссинговера, установленное генетическими методами на дрозофиле, нужно было доказать цитологически. Это сделали в начале 30 годов Штерн на дрозофиле и Б. Мак-Клинтон на кукурузе. Для этого были получены гетероморфные хромосомы, т.е. хромосомы, различающиеся внешне с локализацией в них известных генов. В этом случае у кроссо­верных форм можно было видеть рекомбинантные хромосомы и сомнений о наличии кроссинговера не возникало.

Процесс протекания кроссинговера зависит от многих факторов. Большое влияние на кроссинговер оказывает пол. Так, у дрозофилы кроссинговер происходит только у самок. У тутового шелкопряда кроссинговер от­мечается у самцов. У животных и человека кроссингавер происходит у обоих полов. На частоту кроссинговера влияют также возраст организмов и условия среды.

К. Штерн показал, что кроссинговер может возникать не только в мейозе, при развитии половых клеток, но в некоторых случаях и в обычных соматических клетках. П о-видимому соматический кроссинговер широко распостранен в природе.

Линейное расположение генов в хромосомах. Карты хромосом. После того как была установлена связь генов с хромосомами и обна­ружено, что частота кроссинговера всегда вполне определенная величина для каждой пары генов, расположенных в одной группе сцепления, встал вопрос о пространственном расположении генов в хромосомах. На основании многочисленных генетических исследований Морган и его ученик Стертевант выдвинули гипотезу линейного расположения генов в хромосоме. Изучение взаимоотношения между тремя генами при неполном сцеплении показало, что частота перекреста между первым и вторым, вторым и третьим, первым и третьим генами равна сумме или разности между ними. Так, если в одной группе сцепления расположены три гена - А, В и С, то процент перекреста между генами АС равен сумме процентов перекреста между генами АВ и ВС, частота перекреста между генами АВ оказалась равной АС - ВС, а между генами ВС = АС - АВ. Приведенные данные соответствуют геометрической закономерности в расстояниях между тремя точками на прямой. На этом основании был сделан вывод, что гены расположены в хромосомах в линейной последовательности на определенном расстоянии друг от друга. Используя эту закономерность, можно строить карты хромосом.

Карта хромосомы это схема, на которой показано, какие гены локализованы в данной хромосоме, в каком поряке и на каком расстоянии друг от друга они располагаются. Для построения карты хромосом проводят анализирующее скрещивание и определяют частоту кроссинговера. Например, установлено, что в хромосоме локализованы три гена М, N и К. Частота перекреста между генами М и N составляет 12%, между М и К - 4 % и между N и К - 8%. Чем больше частота кроссинговера, тем дальше друг от друга расположены гены. Используя эту закономерность, строим карту хромосомы.

М 4% К 8% N

о о о

После построения генетических карт встал вопрос о том, отвечает ли расположение генов в хромосоме, определенное на основании частоты кроссинговера, истинному расположению. С этой цепью генетические карты нужно было сравнить с цитологическими.

В 30 годах нашего столетия Пайнтер открыл в слюнных железах дрозофилы гигантские хромосомы, строение которых можно было изучать под микроскопом. Хромосомы эти имеют характерный для них поперечный рисунок в виде дисков разной толщины и формы. Каждая хромосома по длине имеет специфические рисунки дисков, что позволяет отличать разные ее участки друг от друга. Появилась возможность сравнить генетические карты с фактическим расположением генов в хромосомах. Материалом для проверки служили хромосомы, у которых вследствие мутаций возникли различные хромосомные перестройки: не хватало отдельных дисков, или они были удвоены. Диски служили маркерами, с их помощью определяли характер хромосомных перестроек и место расположения генов, о существовании которых было известно на основании данных генетического анализа. При сопоставлении генетических карт хромосом с цитологическими было установлено, что каждый ген находится в определенном месте (локусе) хромосомы и что гены в хромосомах расположены в определенной линейной последовательности. В то же время было обнаружено, что физические расстояния между генами на генетической карте не вполне соответствуют установленным цитологически. Однако это не снижает ценности генетических карт хромосом для предсказания появления особей с новыми сочетаниями признаков.

На основании анализа результатов многочисленных исследований на дрозофиле и других объектах Т. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности, сущность которой заключается в следующем:

- материальные носители наследственности - гены находятся в хромосомах, располагаются в них линейно на определенном расстоянии друг от друга;

- гены, расположенные в одной хромосоме, относятся к одной группе

сцепления. Число групп сцепления соответствуют гаплоидному числу хромосом;

- признаки, гены которых находятся в одной хромосоме, наследуются сцепленно;

- неполное сцепленное наследование признаков связано с явлением кроссинговера, частота которого зависит от расстояния между генами;

- на основании линейного расположения генов в хромосоме и частоты кроссинговера как показателя расстояния между генами можно построить карты хромосом.

Лекция 5

ГЕНЕТИКА ПОЛА

Теории определения пола. Одной из важнейших проблем в биологии всегда была загадка рождения организмов разного пола. Сотни гипотез о природе этого явления бы­ли опубликованы в прошлых веках и особенно в 19 веке. Вот некоторые из них. Аристотель полагал, что зачатие мальчиков происходит чаще в ту пору, когда дуют северные ветры, тогда как зачатие девочек естественно связано с дуновением южных зефиров. Некоторые ученые считали, что дети должны быть того же или проти­воположного пола, что старший или младший из родителей. По нашим данным, пишет Лавровский в статье " Тайна снеговой во­ды", в потомстве животных, пьющих снеговую воду, должны преобладать самцы. Гарантирована почти 100% вероятность рождения мальчика, если мама на 5 см переросла папу, и появление на свет девочки, если мама горазда ниже папы, ( Длигач Д.Л., 1972).Но довольно об этом, поговорим о наследовании пола с научной точ­ки зрения.

Хромосомная теория определения пола. В 1901 году при изучении хромосомных наборов половых клеток самцов и самок было установлено, что они различаются одной парой хромосом. Хромосомы этой пары были названы половыми, а остальные хромосомы, одинаковые у самцов и самок, аутосомами. У большинства организмов, в том числе животных и челове­ка, в кариотипе самок содержится две одинаковые хромосомы, которые обозначают буквой X. У самцов имеется Х-хромосома и отличная от нее хромосома, обычно меньшего размера, которая обозначается буквой У. Та­ким образом, генотип самок по половым хромосомам будет XX, а генотип самцов - ХУ.

Кроме такого типа определения пола, в природе встречаются и дру­гие. Например, у птиц генотип самцов XX, а у самок содержится на одну хромосому меньше. Их генотип записывают обычно ХО или Х-. У пчел, ос и близких им видов пол зависит от количества хромосом. Самки имеют дип­лоидный набор хромосом – 2n, а самцы - гаплоидный n. У особей женского пола в процессе гаметогенеза образуется только один сорт гамет, несу­щий Х-хромосому. Поэтому этот пол называют гомогаметным, У самцов об­разуется два типа гамет, несущих X и У-хромосомы, и такой пол называ­ется гетерогаметным, В связи с этим пол потомства будет зависеть от гетерогаметных особей, которыми у животных и человека являются самцы. Эта теория наглядно объясняет одинаковую вероятность рождения в приро­де самцов и самок.

Схема наследования пола у млекопитающих

Р ♀ ХХ х ♂ Х Y

Гаметы: Х Х Y

­

F ♀ XX ♂ XY

50% самок 50% самцов

Балансовая теория определения пола. Исследования на дрозофиле, проведенные учеником Т.Моргана К. Бриджесом, показали, что простой, на первый взгляд механизм определения пола в действительности сложнее. Несомненно, что Х-хромосома направляет развитие особи в сторону женско­го пола, однако У-хромосома у дрозофилы не влияет на пол. О том, что У-хромосома не оказывает никакого влияния на развитие пола у дрозофил, свидетельствует следующий факт. Можно получить мух с набором половых хромосом ХХУ; такие мухи будут настоящими плодовитыми самками, несмотря на наличие У-хромосомы. К.Бриджес скрещивал триплоидных (XXX) самок с нормальными самцами. В результате этого скрещивания он получил раз­нообразное потомство, наряду с нормальными самками и самцами были осо­би с отклонениями в формировании их половой системы.

Половые типы дрозофилы согласно балансовой теории

Число Х-хромосом	Число наборов аутосом	Половой индекс(Х: А)	Пол организма
3 2 2 1 1	2 2 3 2 3	1,5 1,0 0,67 0,5 0,33	сверхсамка норм. самка интерсекс норм. самец сверхсамец

На основании опытов Бриджес пришел к выводу, что признаки женско­го пола контролируются Х-хромосомой, а признаки мужского пола - аутосомами. Пол же особи зависит от баланса между Х-хромосомами и аутосомами. Это следует из того, что все особи с балансом хромосом 1 и более представляют собой самок, соотношение 0,5 определяет самцов; баланс от 1 до 0,5 определяет промежуточное развитие пола.

У дрозофилы и у некоторых других насекомых иногда появляются так называемые гинандроморфы, у которых одни участки тела несут признаки женского пола, другие - мужского. Причины такой мозаичности легко объ­яснить. В начале своего развития животное обладает двумя Х-хромосомами и начинает развиваться как самка, однако при первом дроблении оплодот­воренного яйца по тем или иным причинам происходит утрата одной из Х-хромосом. В результате образуются клетки, содержащие только одну Х-хромосому. Если эти клетки продолжают делиться, то формируются тка­ни, характеризующиеся чисто мужскими признаками.

Бисексуальность организмов. Многочисленные опыты на животных и растениях позволяют считать, что организмы обладают бисексуальностью, то есть способностью при определенных условиях формировать женский или мужской пол. Подтверждением этого является изменение пола в онтогене­зе. Один из примеров переопределения пола получен на аквариумных рыб­ках Т.Якимото. Для опыта были отобраны белые и красные медаки. Гетерогаметным полом у этих рыбок является мужской. Доминантный ген красной окраски R находится в У-хромосоме, а его рецессивный аллель г - в Х-хромосоме. Следовательно, белые самки имеют генотип X X, а красные

самцы - X У. В этом случае самцы всегда будут красными, поскольку в У-хромосоме находится доминантный ген R . При таком типе наследования сыновья всегда будут нести признаки отца. Вылупившихся из личинок мальков разделили на две группы, В первой группе кормление было обыч­ным, а во второй мальки получали добавку женского полового гормона, В результате оказалось, что все красные рыбки во второй группе, генети­чески определяемые как самцы, по фенотипу были самками с нормально развитыми яичниками и выраженными вторичными половыми признаками. Они были способны скрещиваться с нормальными красными самцами,

Явление фримартинизма. У крупного рогатого скота иногда рождаются разнополые двойни. В этом случае бычки развиваются нормально, а телоч­ки оказываются бесплодными. Таких животных называют фримартинами. Это обусловлено тем, что на ранних этапах эмбрионального развития между плодами устанавливаются анастомозы кровеносных сосудов. Мужские поло­вые гормоны начинают вырабатываться несколько раньше и, попадая в ор­ганизм телочки, они нарушают нормальное развитие ее половой системы, Кроме этого у телок-фримартинов был обнаружен химеризм по половым хро­мосомам. Присутствие У-хромосомы в генотипе таких телок приводит к из­менению признаков в сторону мужского пола,

У кур функционирует только левый яичник. Если же он в силу воз­растных изменений или болезни редуцируется, зачаток правой гонады превращается в семенник, в котором могут формироваться нормальные спе­рмии. Половое поведение и внешние признаки птицы становятся характер­ными для особей мужского пола, Генетически женская особь превращается в петуха.

Патологии по половым хромосомам. У человека и животных обнаружены нарушения в группе половых хромосом. Более детально эти нарушения описаны у человека. Основной причиной этих аномалий является нерасхож­дение половых хромосом в результате мейоза и митоза.

Синдром Клайнфельтера характеризуется недоразвитием гонад. У ор­ганизмов с такой аномалией генотип ХХУ. Возникновение синдрома Клайнфельтера связано с нерасхождением половых хромосом в мейозе. Животные с синдромом Клайнфельтера имеют признаки мужского пола, но стерильны. Такой дефект описан у человека, собак и котов.

Синдром Тернера характеризуется женским фенотипом. У организмов с этим дефектом вместо двух половых хромосом - одна (ХО). Эта аномалия описана у человека, козы и домашней мыши. У организмов с этим синдро­мом недоразвиты яичники, нет четко выраженных вторичных признаков женского организма и в большинстве случаев наблюдается бесплодие.

У животных встречаются и другие нарушения в группе половых хромо­сом, например трисомия (XXX), мозаицизм (ХХ/ХУ/ХХУ) и др. Этих живот­ных нужно своевременно выделять в группы откорма, так как в большинс­тве случаев у них нарушены воспроизводительные способности.

Наследование признаков, сцепленных с полом. Половые хромосомы, так же, как и аутосомы, несут гены, контроли­рующие те или иные признаки. Признаки, гены которых локализованы в по­ловых хромосомах, наследуются сцепленно с полом. Сцепленное с полом наследование было открыто Т.Морганом. Для своих опытов он использовал линию дрозофил с белыми глазами (white). Когда белоглазых мух скрещи­вали с красноглазыми, то полученное потомство не согласовывалось с менделевскими законами наследования. Если красноглазыми были самки, а белоглазыми самцы, то в F1 все мухи имели красные глаза, что соответствует гипотезе о до-

минантности этого признака. При скрещивании между собой мух из F1 три четверти по­томства в F2 было красноглазым, а одна четверть - белоглазой. Однако все полученные самки были красноглазыми, а среди самцов половина по­томков имели красные глаза и половина - белые. Это не совпадало с по­ложениями законов Менделя.

При скрещивании белоглазых самок с красноглазыми самцами резуль­таты были другими. Не все потомство от такого скрещивания было крас­ноглазым, как следовало бы ожидать на основе закона Менделя, исходя из доминирования признака "красные глаза". Напротив, лишь половина по­томства составляли мухи с такими глазами, тогда как вторая половина имела белые глаза; кроме того, все красноглазые мухи были самками, а белоглазые - самцами.

Морган показал, что эти результаты можно объяснить, если предпо­ложить, что ген, определяющий цвет глаз у дрозофил, находится в Х-хро­мосоме. Продемонстрируем схемы этих скрещиваний ниже.

w WW W w w

1. Р ♂ Х Y х ♀ Х Х 2. Р ♂ Х Y х ♀ Х Х

белогл. красног. красног. белогл.

w W W w

Гаметы: Х Y Х Х Y Х

W w W Ww w

F1 ♀ X X ♂ X Y ♀ X X ♂ XY

красног. красног. красног. белогл.

Описанное Морганом сцепленное наследование признаков было обнару­жено у многих видов животных и человека. У кур сцепленно с полом нас­ледуется поперечно-полосатая окраска оперения. Это явление использует­ся в птицеводстве для разделения по полу цыплят в суточном возрасте. При скрещивании петушков, имеющих сплошную окраску оперения, с попе­речно- полосатыми курами в потомстве петушки будут поперечно-полосаты­ми, а курочки - со сплошной окраской оперения.

В птицеводстве оказалась полезной рецессивная, сцепленная с полом мутация карликовости. Карликовые куры отличаются от нормальных лучшей оплатой корма продукцией, для них требуется меньшая площадь содержа­ния, они резистентны к отдельным болезням. В бройлерном производстве разработана технология, где в качестве родительского стада используют­ся «мини-куры». Для получения бройлеров используют карликовых курочек и петушков нормального роста. Следует отметить, что у кур гомозиготным является мужской пол. Схема получения бройлеров с использованием карликовых кур показана ниже.

Dw Dw dw

Р ♂ Х Х х ♀ Х О

Ген Признак норм. рост карлики

Гаметы: Dw dw

DW Х Х О

X нормальн. рост

dw Dw dw Dw

Х карлики F Х Х Х О

норм. рост норм. рост

У человека известно около 150 признаков, сцепленных с полом. Ха­рактер наследования одной из форм дальтонизма - от матери к ее сыновь­ям - известен уже сотни лет. Другим примером сцепленного с полом приз­нака у человека может служить гемофилия - тяжелое заболевание, для ко­торого характерна неспособность крови свертываться. У нормальных людей при небольшом повреждении тканей кровотечение довольно быстро останав­ливается вследствие образования сгустков крови. У людей, больных гемо­филией, даже небольшое кровотечение остановить невозможно без примене­ния препаратов, усиливающих свертывание крови. Гемофилией страдают в основном особи мужского пола, так как у них имеется одна Х- хромосома, и если в ней окажется дефектный ген, то болезнь сразу проявляется. У женских особей две Х-хромосомы и вероятность нахождения дефектного ге­на в обоих хромосомах очень мала.

От признаков, сцепленных с полом, следует отличать признаки, огра­ниченные полом, которые развиваются только у особей одного пола, нап­ример молочная продуктивность коров, яйценоскость кур и т.д. Гены по­добных признаков могут быть локализованы в любой паре хромосом, самцы и самки в одинаковой степени передают их как дочерям, так и сыновьям.

В практике животноводства ограниченные полом признаки могут под­вергаться селекции как по линии самцов, так и через самок. Например, повышение молочности, многоплодия, яйценоскости осуществляется путем

селекции обоих родителей.

Проблема регуляции пола. Регуляция пола, имеет важное практическое значение. Так, в яичном птицеводстве желательно получать больше курочек, а в мясном - петуш­ков. В молочном скотоводстве нужны телочки, в мясном - бычки. У туто­вого шелкопряда самцы дают на 25-30% больше шелка, чем самки, поэтому их преимущество очевидно.

Пол потомка зависит от гетерогаметного пола родительской особи, образующего два сорта гамет с X и У-хромосомами. В зависимости от то­го, какая из гамет будет участвовать в оплодотворении, и будет опреде­ляться пол потомства. Так как у млекопитающих и человека гетерогаметным является мужской пол, то для регуляции пола потомства нужно разде­лить сперматозоиды на содержащие X и У хромосомы. Если в оплодотворе­нии яйцеклетки будет участвовать сперматозоид, содержащий Х-хромосому, то родится самка, если У - самец,

Ученые пытались разделить сперматозоиды по размеру, массе, под­вижности в электрическом поле и другими методами. Опыт по разделению спермы кроликов с помощью электрофореза проводила В.Шредер, Осеменяя кроликов анодной или катодной спермой, ей удалось изменить соотношение самцов и самок до 75%. Однако повторное проведение подобных опытов не подтвердило этих результатов.

Исследования Г.Паршунина и других показали, что избыток аминокис­лот в рационе кур приводит к существенному изменению в соотношении по­лов. Установлено, что метионин и глицин содействуют формированию куро­чек, а аспарагин – петушков.

Лавровский считает, что пол потомства зависит от тайн снеговой во­ды. По данным, полученным в его опытах, в потомстве животных, пьющих снеговую воду, должны преобладать самцы.

Несмотря на большое число проведенных опытов, проблема регулиро­вания пола у млекопитающих путем разделения сперматозоидов до настоя­щего времени не решена. В то же время, сегодня разработан способ ран­него определения пола. Барр, при исследовании клеток мужского и женс­кого организма, обнаружил в клетках женского организма скопление хро­матина под оболочкой ядра. Это образование представляет собой инактивированную Х-хромосому и названо "тельцем Барра". Таким образом, тель­це Барра обнаруживается только в клетках женского организма. Для ран­ней диагностики пола, берут небольшое количество амниотической жидкости на ранних стадиях беременности. В этой жидкости всегда обнаруживаются клетки эпителия. Размножив эти клетки на питательной среде, без труда можно определить - мужской или женский плод развивается в организме матери. В случаях, когда рождение мальчика нежелательно, например при сцепленных с полом наследственных болезнях, можно прервать беремен­ность.

У животных можно получать организмы желательного пола с использо­ванием биотехнологических приемов, таких как трансплантация и клониро­вание. Ученые в настоящее время разработали способ разделения эмбрио­нов на части, У домашних животных эмбрион можно разделить на 4, 8 или большее количество частей. При этом одну из частей эмбриона подсажива­ют в матку самки, а остальные замораживают и сохраняют длительное вре­мя в жидком азоте. После рождения потомка можно делать пересадки и ос­тальных частей разделенного эмбриона. В этом случае пол потомков будет такой же, как и у рожденного животного.

Решить проблему регуляции пола у тутового шелкопряда с использо­ванием явления партеногенеза удалось Б.Астаурову. У тутового шелкопря­да гомогаметным полом является мужской. Для получения самцов, которые дают на 25-30% больше шелка, яйца самок (грену) подвергали температур­ному шоку или действию рентгеновских лучей. В результате этого ядро разрушалось. Далее яйца подвергали оплодотворению, в результате чего в яйцеклетку проникали сперматозоиды. Два сперматозоида сливались, восс­танавливался диплоидный набор хромосом, и из таких яиц развивались только самцы.

В.Струнников и В.Тадзима разработали методику разделения грены тутового шелкопряда по окраске. Окраска яиц у тутового шелкопряда, нас­ледуется сцепленно с полом, причем светлая окраска носит доминантный характер. При скрещивании самок из линии дающей светлую окраску яиц с самцами темноокрашенной линии мы получим грену, которая будет разли­чаться по цвету. Из светлых яиц будут развиваться самцы, а из темных - самки. Сортировать грену можно с помощью фотоэлемента.

Лекция 6

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Доказательства роли ДНК в наследственности. После того как было установлено, что гены находятся в хромосомах и расположены там в определенном порядке, возник вопрос об их химический природе. Ученым было известно, что в состав хромосом высших организмов входят ДНК и несколько типов гистоновых и негистоновых белков. До 40-х годов нашего столетия большинство ученых считали, что гены имеют бел­ковую природу. Русский ученый Н. К. Кольцов высказал мысль, что хромосо­ма это гигантская биологическая молекула, обладающая свойством само­удвоения, и что все свойства и признаки организма обусловлены строени­ем, белка и взаимодействием его молекул. Казалось вероятным, что именно в 6елках заключена наследственная информация о развитии всех признаков и свойств организма. Однако проведенные в последующем эксперименты на микроорганизмах с применением новейших методов исследований позволили установить, что генетическая информация сосредоточена в нуклеиновых кислотах.

Раскрытию ведущей роли ДНК в наследственности предшествовали экс­периментальные работы Ф. Гриффитса (1928), проведенные им по изучению явления трансформации у микроорганизмов. Свои эксперименты он проводил на пневмококках. У этого вида микробов есть два штамма - капсульный (S) и бескапсульный (R). Штамм S вызывает гибель мышей от пневмонии. Он имеет полисахаридную слизистую капсулу и образует гладкие колонии. Штамм R - авирулентный, капсулы не имеет и образует шероховатые коло­нии. Гриффитс заражал мышей смесью живых бескапсульных бактерий R-штамма и убитых нагреванием капсульных пневмококков S-штамма. В итоге мыши заболевали пневмонией и погибали, а выделенные из их тканей клетки бы­ли как S-, так и R-штаммов. Следовательно, произошло превращение (трансформация) бескапсульных бактерий в вирулентные капсульные бакте­рии S-штамма.

В 1944 году американский микробиолог 0. Эвери с сотрудниками пов­торил эксперимент Гриффитса. Из бактерий штамма S он выделил ДНК и внес ее в питательную среду, на которой размножались бактерии авирулентного штамма R. Значительная часть авирулентных бескапсульных бак­терий штамма R трансформировалась в капсульные вирулентные бактерии S -штамма. Это явление дало Эвери основание утверждать о ведущей роли ДНК в переносе наследственной информации от одного штамма бактерий к другому.

Другой эксперимент, подтверждающий роль ДНК в наследственности, провели американские ученые И.Чейз и Херши. Они размножали ДНК-содержащий вирус-бактериофаг на среде, содержащей радиоактивные фосфор и серу Р35 и S33. Радиоактивная сера включилась в серусодержащие белки оболочки фага, а радиоактивный фосфор - в ДНК. Далее мечеными радиоак­тивными изотопами фагами заражали бактерии. С помощью электронного микроскопа было установлено, что радиоактивная сера не проникала в клетку бактерии, внутри клетки был обнаружен только радиоактивный фос­фор. Это свидетельствовало о том, что при заражении бактерии фагом внутрь клетки проникает только ДНК. В зараженной клетке образовалось множество вирионов фага. Следовательно, генетическая информация, необ­ходимая для синтеза ДНК фагов, содержится в ДНК проникших в клетку ви­русов.

Доказательством ведущей роли ДНК в наследственности является и то, что она локализована главным образом в хромасомах, поэтому молекуляр­ная генетика не противоречит хромосомной теории наследственности и за­конам классической генетики.

Строение и синтез ДНК. Нуклеиновые кислоты впервые открыл швейцарский врач Ф. Мишер в 1868 году. Он выделил из ядер клеток особое вещество, обладающее кислыми свойствами, и назвал его нуклеином. Позднее нуклеиновые кислоты были выделены из дрожжей и зобной железы теленка. В период с 1900 по 1932 год был выяснен химический состав ДНК. Было установлено, что в ее сос­тав входят: остатки фосфорной кислоты, углеводный компонент, дезоксирибоза и четыре типа азотистых оснований, два производных пурина (аденин и гуанин) и два производных пиримидина (тимин и цитозин).

В 1950 году Э. Чаргафф при помощи метода распределительной хромотографии выявил очень важные закономерности, касающиеся строения ДНК. Он установил, что в ДНК содержание аденина равно содержанию тимина (А=Т), а содержание гуанина равно содержанию цитозина (А=Ц). Отсюда: (А+Г) : (Т+Ц) = 1, т. е. сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых. Такая закономерность указывают на комплементарное соедине­ние пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК,

К 1952 году Р. Франклин и М. Уилкинс добились получения высокока­чественных рентгенограмм ДНК. На фотографиях было видно, что ДНК представлена двумя цепями закрученными вокруг собственной оси.

Приоритет в расшифровке структуры молекулы ДНК принадлежит Д. Уотсону и Ф. Крику. Эту работу они завершили в 1953 году. Согласно их мо­дели, молекула ДНК имеет двойную спираль, состоящую из двух нуклеотидных цепей с общей осью. Диаметр двойной спирали ДНК равен 2 нм, а расстояние между витками 3,4 нм. На каждый виток спирали приходится 10 пар нуклеотидов, отсюда расстояние между азотистыми основаниями равно 0,34 нм. Каждая из цепей ДНК является полинуклеотидом и состоит из 4 типов нуклеотидов. В состав нуклеотида входят: дезоксирибоза (Д), остаток фосфорной кислоты (Ф) и одно из четырех азотистых оснований (А,Г,Ц и Т). Соединение пуриновых и пиримидиновых оснований с дезоксирибозой приводит к образованию нуклеозида. При присоединении фосфорно­го остатка к углеводной части нуклеозида образуется нуклеотид. Дезок­сирибоза в нуклеотидах соединяется с основаниями гликозидной связью, а с остатками фосфорной кислоты - эфирными связями.

Азотистые основания нуклеотидов обоих цепей заключены внутри между витками спирали и соединены водородными связями. Причем аденин одной цепи всегда связан только с тимином другой цепи, а гуанин - только с цитозином. Пара А - Т соединена двумя водородными связями, а пара Г-Ц - тремя. Такой порядок азотистых оснований называется комплементарностью. Схему строения молекулы ДНК можно представить следующим образом:

Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф

/ \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ /\

Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д 1-я цепь

I I I I I I I I I I I

А Г Ц Т Т А Г Г Ц Т А

: : : : : : : : : : : водородные связи

Т Ц Г А А Т Ц Ц Г А Т

I I I I I I I I I I I

Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д 2-я цепь

\ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ /

Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф

Установлено, что расположение азотистых оснований в молекуле ДНК очень изменчиво и характерно для каждого типа. Следовательно, наследс­твенная информация зашифрована различной последовательностью оснований четырех типов. Азотистые основания обеих цепей заключены внутри между витками спирали и соединены водородными связями. Число нуклеотидов и их после­довательность в молекуле ДНК специфичны для каждого вида и частично для каждой особи. Дж. Уотсон ввел понятие о видовой специфичности ДНК. Коэффициентом видовой специфичности называют отношение (А+Т): (Г+Ц).

Репликация ДНК. ДНК является веществом, количество которого строго постоянно во всех клетках организма. ДНК находится в хромосомах, и репликация ее происходит перед каждым удвоением хромосом и делением клетки. На отдельных участках молекулы ДНК образуются так называемые вилки репликации. В этих местах водородные связи между азотистыми ос­нованиями под действием ферментов разрываются, комплементарные нити

разъединяются и каждая из них становится матрицей, на которой происхо­дит синтез дочерних нитей.

Схема синтеза молекулы ДНК

А Г Ц Т А Г Г

А Г Ц Т А Г Г I I I I I I I

А Г Ц Т А Г Г Т Ц Г А Т Ц Ц

I I I I I I I фермент

Т Ц Г А Т Ц Ц А Г Ц Т А Г Г

Т Ц Г А Т Ц Ц I I I I I I I

Т Ц Г А Т Ц Ц

Такой тип репликации ДНК получил название полуконсервативного. Процесс синтеза протекает при участии комплекса ферментов, главнейшим из которых является ДНК-полимераза. Участок ДНК в том месте, где начали расплетаться комплементарные нити, называется вилкой репликации. Она образуется у прокариот в одной определенной, генетически фиксиро­ванной точке. В молекуле ДНК эукариот таких "стартовых точек" бывает несколько. Синтез новых комплементарных цепей при репликации ДНК проис­ходит по частям. Эти отрезки, состоящие из 1000-2000 нуклеотидов, на­зывают фрагментами Оказаки. Структура, способная к репликации (хромосома, плазмида, вирусный ге­ном), называется репликоном. Репликация обеспечивает материальную неп­рерывность наследственного вещества клетки.

Строение, синтез и типы РНК. Многочисленными исследованиями было установлено, что синтез белка в клетке происходит не в ядре, где находится ДНК, а в цитоплазме. Сле­довательно, сама ДНК не может служить матрицей для синтеза белка. В настоящее время выяснено, что молекулами, ответственными за внутрикле­точную транспортировку информации и за преобразование этой информации в последовательность аминокислот в структуре белковой молекулы, явля­ются рибонуклеиновые кислоты (РНК).

Молекулы рибонуклеиновой кислоты имеют одну полинуклеотидную цепь. В состав молекулы РНК входят четыре типа азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин и урацил), сахар рибоза и остатки фосфорной кислоты. По составу от ДНК она отличается тем, что вместо дезоксирибозы содер­жит рибозу и вместо пуринового основания тимина - урацил. Схему строе­ния молекулы РНК можно представить следующим образом:

Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф

/ \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \

Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р

I I I I I I I I I I

А Г Ц У Т У Г Г Ц У

где, А,Г,Ц,У - азотистые основания, Р - рибоза и Ф - остатки фосфорной кислоты.

Синтез молекулы РНК происходит на одной из цепей молекулы ДНК. Этот процесс протекает с участием большого числа ферментов и называется транскрипцией. Причем двойная цепь ДНК раскручивается и на одной из ее цепей, которая называется смысловой синтезируется РНК. В упрощенном варианте синтез молекулы РНК можно представить следующим образом:

смысловая цепь А Г Ц Т А Г Г

А Г Ц Т А Г Г I I I I I I I

А Г Ц Т А Г Г У Ц Г А У Ц Ц - РНК

I I I I I I I фермент

Т Ц Г А Т Ц Ц

Т Ц Г А Т Ц Ц

Молекулярная масса очищенных препаратов РНК колеблется от 20000 до 2000000 Д. В организме существуют три основных типа РНК: информацион­ная ( и-РНК), или матричная (м-РНК), рибосомальная (р-РНК) и транс­портная

(т-РНК). Эти типы РНК различаются по величине молекул и функ­циям.

Информационная РНК. Роль информационной РНК заключается в том, что она переписывает информацию с молекулы ДНК и переносит ее к месту син­теза белка. В рибосомах и-РНК выполняет роль матрицы в процессе био­синтеза белка. Информационная РНК составляет около 5% от всей массы РНК. Это довольно крупные молекулы с молекулярной массой 2 млн Д, сле­довательно, состоит она из сотен и даже тысяч нуклеотидов. В клетках обнаруживается большое разнообразие и-РНК как по составу, так и по величине молекул.

Транспортная РНК. Эти молекулы небольшого размера. В их состав входит 75-200 нуклеотидов. Молекулярная масса. 24-30 тысяч Д. Транс­портные РНК выполняют функцию переноса аминокислот к месту синтеза белка. К настоящему времени обнаружено около 60-ти т-РНК. Молекула

т-РНК напоминает форму клеверного листа. На конце одной цепи находится акцепторный участок - триплет ЦЦА, к которому прикрепляется аминокис­лота. В центре средней петли находится антикодон - триплет, состоящий из трех нуклеотидов комплементарных генетическому коду и - РНК.

Рибосомальная РНК. Молекулярная масса рибосомальной РНК 50-200 тыс. Д. Эта молекула содержит около 6000 нуклеотидов. Рибосомальная РНК синтезируется в ядрышках, затем поступает в цитоплазму. Объединяясь с особыми белками, она образует рибосомы, в которых осуществляется био­синтез белков. Количество рибосомальной РНК составляет около 80 про­центов.

Генетический код. Биосинтез белков в клетке. Генетическая информация зашифрована в ДНК посредством чередова­ния четырех азотистых оснований. Известно также, что наследственную информацию с ДНК считывает и-РНК, которая синтезируется на одной из ее цепей. Однако неясным был вопрос: каким образом нуклеотидная последо­вательность и-РНК переводится в аминокислотную последовательность бел­ка? Было высказано предположение, что это возможно с помощью генети­ческого кода. В качестве генетического кода могут выступать сочетания из четырех азотистых оснований. Заранее можно было предположить, что генетический код не может состоять из одного или двух азотистых основании, так как в этом случае сочетаний может быть 16, а аминокислот 20. По мнению Г. Гамова генетический код должен состоять из трех азотистых ос­нований. В этом случае получается 64 сочетания, что вполне достаточно для кодирования всех аминокислот.

Расшифровку генетического кода начали Ниренберг и Маттеи в 1961 году. Они получили синтетические полимеры типа т-РНК. Искусственный полимер содержал только один нукдеотид - урацил. Этот полимер был вве­ден в бесклеточную среду из кишечной палочки, которая содержала все аминокислоты, рибосомы, АТФ и ферменты. В результате получили полипеп­тид, состоящий только из фенилаланина. В другом опыте использовали ис­кусственно полученный полинуклеотид, состоящий только из цитозинов, получили полипептид, который включал аминокислоту пролин. Затем были получены молекулы РНК разного состава и выяснено какие аминокислоты они шифруют. К 1966 году были определены все триплеты, кодирующие ту или иную кислоту. Генетический код был пол­ностью расшифрован. Было выяснено, что 61 триплет кодирует аминокисло­ты, а три триплета, являются терминальными или определяют конец синтеза конкретной белковой молекулы. Таблица генетического кода приводиться ниже:

Таблица генетического кода

1-й нуклеот.	2-й нуклеотид				3-й нуклеот.
	У	Ц	А	Г
У	ФЕН ФЕН ЛЕЙ ЛЕЙ	СЕР СЕР СЕР СЕР	ТИР ТИР термин. термин.	ЦИС ЦИС термин. ТРИ	У Ц А Г
Ц	ЛЕЙ ЛЕЙ ЛЕЙ ЛЕЙ	ПРО ПРО ПРО ПРО	ГИС ГИС ГЛН ГЛН	АРГ АРГ АРГ АРГ	У Ц А Г
А	ИЛЕ ИЛЕ ИЛЕ МЕТ	ТРЕ ТРЕ ТРЕ ТРЕ	АСН АСН ЛИЗ ЛИЗ	СЕР СЕР АРГ АРГ	У Ц А Г
Г	ВАЛ ВАЛ ВАЛ ВАЛ	АЛА АЛА АЛА АЛА	АСП АСП ГЛУ ГЛУ	ГЛИ ГЛИ ГЛИ ГЛИ	У Ц А Г

Таким образом, окончательно установлено, что генетический код является триплетным. Кроме того, к свойствам генетического кода отно­сят: вырожденность, неперекрываемость и универсальность. Вырожден­ность генетического кода заключается в том, что, как правило, одну аминокислоту кодируют не один, а несколько триплетов. В генетическом коде есть аминокислоты, кодируемые одним, двумя, тремя, четырьмя и шестью триплетами. Неперекрываемость генетического кода связана с тем, что каждый из нуклеотидов входит только в один из кодонов и считывание идет в одном направлении - триплет за триплетом. Генетический код уни­версален. Это значит, что у животных, растений, бактерий и вирусов од­ну и ту же аминокислоту кодируют одинаковые сочетания.

Процесс реализации наследственной информации в биосинтезе белка осуществляется при участии трех видов РНК, ферментов, АТФ и других компонентов. Передачу наследственной информации с ДНК на белок можно представить следующим образом: ДНК → и-РНК → белок. Процесс биосинте­за сложный и включает ряд этапов - транскрипцию, сплайсинг и трансля­цию.

Первый этап называется транскрипцией. Он происходит в ядре клетки. В результате транскрипции наследственная информация с ДНК переписыва­ется на и-РНК. Этот процесс осуществляется при участии ряда ферментов, главным из которых является РНК-полимераза. Исследования показали, что в результате транскрипции синтезируется проматричная РНК, которая зна­чительно больше по размеру и содержит фрагменты не несущие наследс­твенной информации. Они получили название интронов в отличие от коди­рующих фрагментов, которые называются экзонами. Интроны считываются с молекулы ДНК одновременно с экзонами, поэтому про-м-РНК значительно длиннее, чем зрелая м-РНК. В дальнейшем интроны "вырезаются" из моле­кулы РНК, а фрагменты экзонов "сращиваются" между собой в строгом по­рядке. Этот процесс называется сплайсингом. В процессе сплайсинга об­разуется зрелая м-РНК, которая содержит только ту информацию, которая необходима для синтеза белков.

Следующий этап биосинтеза - трансляция. Этот процесс происходит на рибосомах при участии т-РНК. Молекула и-РНК после сплайсинга через по­ры ядра выходит в цитоплазму и прикрепляется к рибосоме. Трансляция начинается с так называемого стартового кодона - АУТ. Активированные аминокислоты прикрепляются к т-РНК и переносятся к рибосомам. Здесь они в соответствии с генетическим кодом соединяются в полипептидную цепь. Молекула и-РНК обычно работает на нескольких рибосомах (5-20), соединенных в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называется инициацией. Последовательность аминокислот в молекуле белка определя­ется последовательностью кодонов в и-РНК. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда, на и-РНК появляется один из кодонов -терминаторов (УАА, УАГ или УГА). В схематическом виде процесс биосинтеза белка мож­но представить в следующем виде:

АГЦ ГТГ ААЦ ТТТ ЦТЦ ЦАА ГГА АГГ

ДНК I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

↓ ТЦГ ЦАЦ ТТГ ААА ГАГ ГТТ ААТ ТЦЦ - смысловая цепь

и- РНК АГЦ ГУГ ААЦ УУУ ЦУЦ ЦАА УУА АГГ

белок сер - вал – аcн – фен – лей - глн – лей - арг

Современное представление о гене. В представлении Г. Менделя единицей наследственности был фактор, контролирующий проявление в доминантном или рецессивном состоянии од­ного признака. В дальнейшем понятия о гене были развиты в работах Т.Моргана, который показал, что ген это локус (участок) хромосомы, имеющий линейную последовательность и занимающий строго определенное положение.

В соответствии с представлениями классической генетики долгое вре­мя считалось, что ген способен к саморепродукции и является неделимой единицей функции, рекомбинации и мутирования. Вопрос о пересмотре представлений о гене как неделимой единице был поставлен отечественны­ми учеными под руководством Н.П.Дубинина. Изучая мутацию scute (скьют), ими было установлено явление ступенчатого аллеломорфизма. В этом гене было обнаружено 14 мутаций, которые приводили к редукции щетинок на разных участках тела дрозофилы. Изучение разных мутантных аллелей гена scute позволило авторам сделать вывод о том, что ген не является неделимой частью хромосомы, а имеет сложную структуру - он состоит из участков или центров. Согласно центровой теории строения гена ген дро­бим и состоит из отдельных участков или центров, которые могут незави­симо изменяться при мутациях. Мутации могут затрагивать и несколько центров одновременно.

Исследованиями Бензера установлена и наименьшая единица рекомбина­ции. Было показано, что даже соседние нуклеотиды в молекуле ДНК могут разъединяться путем кроссинговера.

В современном понимании ген - это функциональная единица молекулы ДНК, контролирующая последовательность аминокислот в кодируемом белке. Специфичность гена определяется числом нуклеотидов и их последователь­ностью. Ген имеет определенную величину, выраженную числом нуклеотидов и молекулярной массой. Размер генов у разных организмов различен, од­нако в среднем ген включает около 1000 нуклеотидов. Молекулярная масса гена составляет в среднем 700 тыс. Д. Самыми короткими являются гены, кодирующие т-РНК. Они включают приблизительно 190 пар нуклеотидов. Но имеются и очень длинные гены; например, ген фиброина шелка у тутового шелкопряда включает 16 тыс. пар нуклеотидов.

Ген, кодирующий синтез полипептидной цепи, называется структурным. Кроме структурных генов существуют акцепторные гены, которые осущест­вляют регуляторные функции. Эти гены обладают высокой специфичностью к ним могут присоединяться только определенные молекулы белков-фермен­тов. Доля структурных и акцепторных генов в общей ДНК в геномах разных организмов колеблется от 15 до 98%. Остальная часть ДНК генома получи­ла название избыточной ДНК. Особенно много избыточной ДНК содержится в геномах растений. Для избыточной ДНК характерно наличие повторов одинаковых последовательностей нуклеотидов. Бриттен и Кон установили, что у мыши 70% ДНК составляют уникальные последовательности нуклеоти­дов, а 30% повторы; у человека 68% уникальные последовательности, а 32% повторы. Особенно многократно в молекуле ДНК встречаются повторы структурных генов, кодирующих синтез рибосомальной РНК.

Лекция 7