Закономерности передачи генетической информации

Закономерности передачи генетической информации

Современные представления о материальных основах наследственности берут начало от исследований Г. Менделя (1822--1884), историческая заслуга которого состоит в том, что он сформулировал теорию, объясняющую наследственность существованием и передачей факторов (единиц) наследственности от родителей к потомству через репродуктивные клетки. Г. Мендель обосновал значение генов как фундаментальных единиц жизни и установил законы передачи этих единиц от родителей к потомству. Заключения, сформулированные Г. Менделем, принято называть теперь законами наследственности.

В последующем Т. Морган (1886-1945) представил решающие доказательства в пользу того, что гены фиксированы на хромосомах.

Работы Г. Менделя, Т. Моргана и их последователей заложили основы теории гена и хромосомной теории наследственности.

Основу исследований Г. Менделя, которые проводились, когда еще не были известны хромосомы, составляют скрещивания и изучение гибридов садового гороха. Г. Мендель начал исследования, располагая 22 чистыми линиями садового гороха, которые имели хорошо выраженные альтернативные (контрастирующие) различия между собой по семи парам признаков, а именно: форма семян (круглые -- шероховатые), окраска семядолей (желтые -- зеленые), окраска кожуры семян (серая -- белая), форма бобов (выполненные -- морщинистые), окраска незрелых бобов (зеленые -- желтые), расположение цветков (пазушные -- верхушечные), высота растения (высокие -- карликовые).

В отличие от своих предшественников, пытавшихся изучать поведение в скрещиваниях сразу нескольких признаков, Г. Мендель в скрещиваниях растения одной линии с растениями другой линии изучал поведение признаков раздельно. Когда было изучено поведение одной пары контрастирующих признаков, в дальнейших скрещиваниях наблюдению подвергалась следующая пара признаков и т. д. Закончив эту работу, Г. Мендель изучал затем поведение в скрещиваниях одновременно двух контрастирующих признаков, например, формы семян и окраска семядолей (дигибридные скрещивания), а затем трех признаков -- формы семян, окраска семядолей и окраски кожуры семян (тригибридные скрещивания).

Учитывая строение цветков садового гороха, Г. Мендель при скрещивании растений исходных родительских линий исключал самоопыление и допускал его лишь при скрещивании гибридов первого и второго поколений. Наконец, в поисках объяснений своих результатов Г. Мендель использовал математику. Анализируя полученные данные, он формулировал рабочие гипотезы, проверяя их правильность в последующих экспериментах. В целом работа Г. Менделя является классическим образцом методологии экспериментальной науки.

Доминантность и рецессивность

Г. Мендель скрещивал чистолинейные растения путем нанесения на пестик цветка растения одной линии пыльцы, взятой из цветка растения другой линии и наоборот. Когда в скрещивания были вовлечены растения двух линий, различающиеся по такой паре контрастирующих признаков, как круглая и шероховатая (угловатая) форма семян, т. е. одно скрещиваемое растение давало круглые семена, а другое -- шероховатые а затем от них были получены гибриды первого поколения (Fi), то оказалось, что все эти гибриды единообразны, т. к. они похожи на растения одной из родительских линий (давали семена круглой формы). Замечательным оказалось также и то, что все эти гибриды давали семена круглой формы независимо от принадлежности пыльцы цветкам растений одной или другой родительской линии.

Проверив в других скрещиваниях поведение остальных шести контрастирующих признаков, Г. Мендель наблюдал, что во всех случаях гибриды Fi также единообразны, ибо они были похожи на растения одной из двух скрещиваемых (родительских) чистых линий садового гороха в любом из соответствующих сочетаний. Таким образом, Г. Мендель обнаружил, что гибриды, полученные после скрещивания растений двух линий, различающихся по паре контрастирующих признаков, проявляют лишь один признак из этой пары.

Признаки, которые проявились у гибридов первого поколения, Г. Мендель назвал доминантными. В результате всех скрещиваний доминантными признаками оказались круглая форма семян, желтая окраска семядолей, серый цвет кожуры семян, выполненность бобов, зеленая окраска незрелых бобов, наружное расположение цветков и высокий рост растений.

Продолжая эксперименты, Г. Мендель допустил самоопыление гибридов первого поколения, в результате которого цветки этих гибридов опылялись своей же пыльцой. В противоположность единообразию гибридов Г1 гибриды второго поколения (F2) характеризовались тем, что среди них встречались как особи, у которых проявлялся доминантный признак, являющийся признаком одного из родителей, так и особи, у которых проявлялся признак другого родителя, т. е. тот признак, который находился в скрытом состоянии у гибридов F1. Следовательно, применительно к любой паре контрастирующих признаков, по которым различались растения скрещиваемых линий, отсутствие одного из контрастирующих признаков у гибридов F1 не означало, что этот признак навсегда исчезал. Будучи лишь подавленным или скрытым у гибридов F1, этот контрастирующий признак проявлялся затем у гибридов F2.

Признаки, подавляемые в гибридах, Г. Мендель назвал рецессивными признаками. В числе рецессивных признаков садового гороха оказались шероховатая форма семян, зеленая окраска семядолей, белый цвет кожуры семян, морщинистая форма семян, желтая окраска незрелых бобов, верхушечное расположение цветков и карликовый рост растений.

Полное доминирование, обнаруженное Г. Менделем, в последующем было показано многими исследователями у гибридов животных (млекопитающие, рыбы и др.) и растений. В то же время было отмечено отсутствие доминантности отдельных признаков как у животных, так и у растений. Например, скрещивание красных шортгорнов с белыми сопровождается тем, что гибриды первого поколения имеют промежуточную масть (чалую). Расщепление гибридов во втором поколении дает красных, белых и чалых шортгорнов. Наконец, у многих живых существ отдельные признаки наследуются по частично доминантному типу, что бывает тогда, когда одни признаки частично доминируют над другими. Как видно, доми-нантность того или иного признака может быть выражена в различной степени и может отсутствовать полностью. Однако важно подчеркнуть, что во всех выполненных к настоящему времени скрещиваниях, независимо от степени доминантности какого-либо признака все гибриды первого поколения по этому признаку являются единообразными.

Расщепление (сегрегация) генов

Как отмечено выше, гибриды F2 садового гороха в экспериментах Г. Менделя характеризовались разнообразием, т. к. среди них встречались особи, у которых проявлялся как доминантный, так и рецессивный признаки. Можно сказать, что гибриды F2 были двух типов: одни из них были похожи на растения одной прародительской линии, другие -- на растения другой прародительской линии. Например, гибриды из тех скрещиваний, в которых Г. Мендель наблюдал пару контрастирующих признаков, касающихся формы семян, характеризовались тем, что одни из них давали семена круглой формы, а другие -- шероховатой.

Однако когда Г. Мендель провел подсчет гибридных растений F2, различающихся по форме семян, то оказалось, что из 7324 гибридов 5474 гибрида (74,74%) давали круглые семена (доминантный признак), а 1850 гибридов (25,36%) -- шероховатые (рецессивный признак). Другими словами, три четверти всех гибридов F2 были похожи на растения одной прародительской линии, а одна четверть -- на растения другой прародительской линии. Следовательно, отношение между гибридами Рд, дающими круглые семена, и такими же гибридами, дающими шероховатые семена, есть отношение между доминантными и рецессивными признаками гибридов. Аналогичные отношения между разными гибридами второго поколения были выявлены и в скрещиваниях, в которых наблюдению подлежали остальные контрастирующие признаки садового гороха

Как видно из табл. 15, у гибридов F2 проявлялся каждый признак из любой пары контрастирующих признаков. Другими словами, у гибридов F2 признаки подвергались расщеплению (сегрегации).

Обнаружение расщепления признаков во втором поколении гибридных растений садового гороха имело огромное значение, ибо, исходя из данных о частоте расщепления, Г. Мендель раскрыл внутреннее содержание этого явления, сформулировав гипотезу о существовании факторов (единиц) наследственности, которая затем переросла в теорию гена.

В рамках этой гипотезы Г. Мендель предположил, что контрастирующие признаки детерминируются какими-то факторами (элементами, единицами), которые передаются от родителей к потомству через половые клетки. Г. Мендель предположил также, что каждая пара контрастирующих признаков детерминируется парой факторов, которые в гибридах не смешиваются, но при образовании гамет расходятся, проходят чистыми в разные гаметы и затем оказываются в потомстве гибридов. Например, круглая форма семян, являясь доминантным признаком, детерминируется доминантным фактором, тогда как шероховатая форма семян, являющаяся рецессивным признаком, детерминируется рецессивным фактором. Каждое растение имеет пару генетических факторов на каждый контрастирующий признак, причем оба фактора присутствуют в растении одновременно.

После 1909 г. менделевские факторы наследственности по предложению В. Бэтсона (1861-1926) стали называть генами, членов генной пары -- аллельными генами, или просто аллелями. Когда оба аллеля одинаковы (доминантны или рецессивны), то организм, несущий эти аллели, называют гомозиготным или гомозиготой по данному аллелю. Организм, несущий разные аллели (доминантный и рецессивный), называют гетерозиготным, или гетерозиготой.

Чтобы понять, каким образом гены передаются потомству и как они распределяются в потомстве между разными особями, необходимо уяснить сущность фенотипического и генотипического отношений, полученных Г. Менделем при изучении гибридов садового гороха. Обозначим, как это делал Г. Мендель, символом P1 исходные (родительские) растения, символами F1 и F2 -- гибриды первого и второго поколений (соответственно), а символами R и г -- аллельные гены (соответственно доминантный и рецессивный), детерминирующие, например, форму семян садового гороха. Поскольку растения P1 -- чистолинейные, то те из них, которые дают круглые семена (являются гомозиготными и несут гены R и R), можно обозначить RR, а гаметы этих растений -- R, тогда как те растения, которые дают шероховатые семена (являются тоже гомозиготными, несут гены г и г), можно обозначить гг, а гаметы этих растений -- г.

Интерпретируя результаты своих опытов, Г. Мендель предположил, что при скрещивании исходных растений P1 женские гаметы R оплодотворяются мужскими гаметами г и наоборот, вследствие чего гибриды F1 будут гетерозиготными гибридами, имеющими генетическую формулу Rr и дающими семена круглой формы, т. к. аллель R подавляет аллель г. Когда гибрид F1 продуцирует гаметы, аллели Rr расщепляются, в результате чего половина гамет будет нести аллель R, половина -- аллель г. Если же при самоопылении гибридов F1 женская гамета г оплодотворяется мужской гаметой R, то гибрид F2 будет иметь генетическую формулу RR, его гаметы будут гаметами R, а самоопыление таких гибридов F2 дает начало растениям RR. Если при самоопылении гибридов F1 женская гамета г будет оплодотворена мужской гаметой г, гибрид F2 будет гибридом с генетической формулой гг, его гаметы будут гаметами г, а самоопыление таких гибридов F2 дает растения гг. Если же при самоопылении гибридов F1 женская гамета г будет оплодотворена мужской гаметой г или наоборот, то образующийся гибрид F2 будет растением Rr (подобно гибриду F1), его гаметы будут гаметами двух видов -- мужские R и r и женские R и г, а самоопыление таких гибридов дает растения с генетическими формулами RR, Rr и гг.

Имея в виду соображения, приведенные выше, вернемся к гибридам F1 которые являются гетерозиготами Rr и продуцируют гаметы R и г в равных количествах. Допуская, что при оплодотворении гаметы объединяются случайно (нет преимуществ для объединения гамет R и R или г и г, или R и г) и что все формирующиеся гибридные растения жизнеспособны, можно предположить, что в результате расщепления генов формируемые гибриды будут различными как по фенотипу, так и по генотипу

Объединение гамет гибридов F1 может давать четыре двойных сочетания аллелей, причем каждое из сочетаний должно давать начало не меньше одной четверти гибридов F2. Оценивая генотипы гибридов F2, можно видеть, что гомозиготные растения RR имеют лишь аллели, детерминирующие круглую форму семян, и поэтому такие растения должны давать семена круглой формы. Далее, гете-розиготные растения Rr имеют аллель для круглой формы и аллель для шероховатой формы семян, но по причине доминантности аллеля R эти растения дадут семена также круглой формы. Наконец, гомозиготные растения гг имеют аллели лишь для шероховатой формы семян, и в связи с этим такие растения дадут шероховатые семена.

Следовательно, если допущения случайного объединения гамет при оплодотворении и равной во всех случаях жизнеспособности гибридов справедливы, тогда среди гибридов F2 три четверти особей должны давать круглые семена и одна четверть -- шероховатые, т. е. растения, дающие семена разной формы, среди гибридов должны встречаться в отношении 3:1, которое является феноти-пическим отношением.

Возвращаясь к данным табл. 15, можно видеть, что среди 7324 гибридов Рд, изученных Г. Менделем, 5474 гибрида давали круглые семена и 1850 -- шероховатые, что составляет соответственно 74,74% и 25,26% и очень близко к отношению 3:1. Такое фенотипическое отношение среди гибридов Fg Г. Мендель обнаружил и в случае других альтернативных признаков. Говоря о менделевском фенотипическом отношении среди гибридов следует, однако, отметить, что оно не точно и лишь указывает на то, что можно ожидать на основе вероятности. Поэтому данное отношение будет тем точнее, чем большее количество гибридов будет исследовано.

Итак, интерпретация Г. Менделем сущности фенотипического отношения 3 : 1 заключается в том, что растения F2, дающие круглые семена, генотипически неодинаковы, тогда как растения, дающие шероховатые семена, генотипически одинаковы Среди гибридов F2, дающих круглые семена, около одной трети должно быть гомозиготными растениями RR (по аллелю для круглой формы семян) и около двух третей -- гетерозиготными Rr, имеющими и доминантный, и рецессивный аллели. Все растения, дающие шероховатые семена, являются рецессивными гомозиготами rr.

Чтобы проверить справедливость генной гипотезы, Г. Мендель осуществил ряд дальнейших скрещиваний. В частности, он скрещивал гибриды второго поколения, допуская их самоопыление и получая таким путем гибриды третьего поколения (F3). Все гибриды F3, происходящие от гибридов F3 (предположительно rr), дававшие шероховатые семена, оказались растениями, снова дающими шероховатые семена, т. е., как и следовало ожидать, растениями rr.

Что касается гибридов F3, которые произошли от гибридов F2, дававших круглые семена, то они оказались неодинаковыми. Самоопыление 1/3 всех этих гибридов F2, (предположительно RR) дало начало гибридам F3, продуцирующим семена только круглой формы, т. е. гибридам RR. Самоопыление 2/3 гибридов F2 (предположительно Rr) дало начало гибридам F3, среди которых три четверти составляли растения, продуцировавшие круглые семена (RR и Rr) и одну четверть -- продуцировавшие шероховатые семена (гг). Как и в случае гибридов F2, здесь фенотипическое отношение также составляло соответственно 3:1.

Таким образом, гибридные растения второго поколения независимо от фенотипа генотипически оказались растениями трех типов: растения RR, дающие круглые семена и остающиеся такими в дальнейших скрещиваниях (подобно растениям исходной линии, использованной в первоначальном скрещивании), гетерозиготные растения Rr, дающие подобно гибридам первого поколения круглые семена, но расщепляющиеся в дальнейших скрещиваниях, и гомозиготные растения гг, дающие шероховатые семена и остающиеся такими в дальнейших скрещиваниях (подобно растениям другой исходной линии, использованной в первоначальном скрещивании), причем в отношении 1/4:1/2 :1/4 или 1:2:1 соответственно.

Отношение 1:2:1 является генотипическим и было обнаружено Г. Менделем также при анализе остальных шести признаков (цвет семян, положение цветков и т. д.). Следовательно, разница между видимым (фенотипическим) и фактическим (генотипическим) отношениями обусловлена доминантным характером аллеля R и рецессивным характером аллеля г, вследствие чего генотипы RR и Rr дают одинаковый фенотип.

Помимо скрещиваний, результаты которых приведены выше, для доказательства генной гипотезы Г. Мендель обратился также к обратным скрещиваниям, получившим позднее в литературе название анализирующих (тест-скрещиваний). Смысл этих скрещиваний заключается в том, что гетерозиготные гибриды F1 которые давали, например, круглые семена и происходили из скрещиваний между исходными растениями, дающими круглые (RR) и шероховатые (rr) семена, вновь скрещивали с исходными (родительскими) гомозиготными рецессивными растениями, продуцирующими шероховатые семена. Поскольку гаметы, проецируемые гетерозиготным (Rr) гибридом F1, всегда являются чистыми и могут нести только или аллель R, или аллель г, причем половина гамет должна быть гаметами R, половина -- гаметами г, а все гаметы, продуцируемые исходным гомозиготным рецессивным (гг) растением, должны быть только гаметами г, в случае справедливости генной гипотезы следовало ожидать, что обратное скрещивание таких растений должно привести к образованию зигот наполовину Rr и наполовину гг. Другими словами, образующееся в результате таких обратных скрещиваний потомство должно состоять наполовину из гетерозиготных организмов, проецирующих круглые семена (Rr), и наполовину из гомозиготных рецессивных организмов, продуцирующих семена шероховатой формы (гг). Осуществив обратные скрещивания и проанализировав свойства появлявшихся в этих скрещиваниях растений, Г. Мендель обнаружил, что они действительно являются наполовину гетерозиготными организмами и наполовину гомозиготными, т. е. отношение между ними составляло 1:1.

Итак, из результатов этих экспериментов следует, что каждый наследуемый признак находится под контролем пары одинаковых (аллельных) генов, из которых один аллель (один ген пары) происходит от одного родителя, тогда как другой аллель (другой ген пары) берет начало от другого родителя. Находясь в гибриде первого поколения, различные аллели не смешиваются и не влияют один на другой. Когда у зрелого организма наступает процесс образования половых клеток, то два аллеля генной пары расходятся (сегрегируют) чистыми и оказываются в разных гаметах, продуцируемых одним и тем же гибридом. Гаметы несут лишь по одному аллелю из каждой генной пары. Появление одного аллельного гена в той или иной гамете -- дело случая. В процессе последующего оплодотворения женских половых клеток мужскими и образования гибридов второго поколения гены вновь собираются в пары. Заключение Г. Менделя, в соответствии с которым члены какой-либо генной пары расщепляются и расходятся в разные гаметы, известно под названием закона расщепления (сегрегации), или первого закона наследственности (первого закона Г. Менделя), и лежит в основе теории гена.

Сейчас известно, что некоторые признаки контролируются более чем двумя аллелями, т. е. существуют множественные аллели. Например, окраска шерстного покрова у кроликов контролируется четырьмя аллелями (С1, С2, С3, C4. В случае человека группы крови по антигенам А и В контролируются тремя аллелями, (см. гл. XIII). Однако их наследование также подчиняется первому закону наследственности.

Независимое распределение генов

Установив расщепление генов в моногибридных скрещиваниях, Г. Мендель столкнулся с необходимостью выяснить, каким образом разные пары признаков садового гороха ведут себя по отношению одна к другой, если наблюдение за их передачей от одного поколения к другому вести одновременно. Поэтому следующую часть экспериментов Г. Менделя составляли скрещивания растений садового гороха, различающихся между собой сразу по двум парам альтернативных признаков, т. е. по двум парам разных генов, контролирующих две разных пары признаков одновременно. Такие скрещивания называют дигибридными. Здесь мы рассмотрим одно из менделевских дигибридных скрещиваний, в котором в качестве исходных были использованы гомозиготные доминантные растения, дающие семена круглой формы и желтого цвета, и гомозиготные рецессивные растения, дающие семена шероховатой формы и зеленого цвета

Проведенные эксперименты по наблюдению двух пар различий (круглые и шероховатые семена, желтые и зеленые семена) в дигибридном скрещивании показали, что гибриды F1 в этих скрещиваниях похожи на гибриды F1, возникающие при моногибридных скрещиваниях. Поскольку круглая форма семян является доминантной по отношению к шероховатой, а желтая окраска семян доминантной по отношению к зеленой, гибриды F1 давали круглые семена, имеющие желтую окраску. Проведя затем скрещивание гибридов F1 друг с другом или допуская самоопыление, Г. Мендель получил гибриды F2, от которых было исследовано 656 семян (бобов). Изучив форму и окраску семян, полученных от гибридных растений F2, он обнаружил, что раздельно как по форме, так и по окраске семян фенотипическое расщепление (отношение количества семян с доминантными признаками к количеству семян с рецессивными признаками) проявляется в отношении 3 : 1 или ? : 1/4, ибо из 556 семян для 432 была характерна круглая форма (76,08%) и для 133 - шероховатая (23,92%), тогда как из этого количества семян для 416 была присуща желтая окраска (74,82%), а для 140 -- зеленая (25,18%). Такой характер расщепления по форме и по окраске семян следовало ожидать, исходя из результатов моногибридных скрещиваний. Однако в данном случае вопрос заключался в другом: является ли расщепление одной пары альтернативных признаков (круглая и шероховатая форма семян) независимым от расщепления другой пары признаков (желтая и зеленая окраска семян) или эти пары признаков зависимы, тесно связаны между собой? Аналогичный вопрос можно было поставить и по-другому: всегда ли круглая форма семян сочетана с желтой окраской их, а шероховатая форма семян -- с зеленой окраской или же возможно появление семян с новыми комбинациями этих признаков?

Чтобы получить ответ на этот вопрос, Г. Мендель классифицировал все 556 семян по обеим парам признаков одновременно и получил следующие данные: круглые желтые -- 315 семян, круглые зеленые -- 108 семян, шероховатые желтые -- 101 семя, шероховатые зеленые -- 32 семени. Как видно, наряду с семенами, похожими на семена, которые давали растения исходных родительских линий (круглые желтые и шероховатые зеленые), гибриды Fg давали также семена, похожие на семена исходных родительских растений только по форме или по окраске. Следовательно, среди растений, дававших круглые семена и количественно составлявших 3/4 исследованных растений (всей группы), в свою очередь 2/4 давали желтые семена и 1/4 -- зеленые. Среди растений, дававших шероховатые семена и количественно составлявших 1/4 всех исследованных растений, в свою очередь 3/4 давали желтые семена 1/4 -- зеленые. Анализ этих количественных отношений приводил к дальнейшему заключению:

а) 3/4 растений от 3,4 всех растений исследованной группы F2 или 9/16 растений этой группы обладают обоими доминантными признаками (круглая форма и желтая окраска);

б) 1/4 растений от 3/4 растений всей группы или 3/16 растений всей группы обладают одним доминантным (круглая форма семян) или одним рецессивным (зеленая окраска семян) признаком, т. е. признаками в новых сочетаниях (рекомбинациях);

в) 3/4 растений от 1/4 растений всей группы или 3/16 растений всей группы обладают другим новым сочетанием доминантного и рецессивного признаков (шероховатая форма и желтая окраска семян);

г) 1/4 pастений от 1/4 растений всей группы или 1/16 растений всей группы обладают обоими рецессивными признаками (шероховатая форма и зеленая окраска семян).

Возвращаясь к количественным данным по систематизации семян с учетом их формы и окраски (315, 108, 101 и 32), легко заметить, что они очень близки к выведенным выше отношениям. Поэтому, опираясь на эти результаты, Г. Мендель сделал заключение, в соответствии с которым гибриды F2 по двум парам признаков являются организмами четырех типов в отношении 9/15:3/16:3?16:1/16 или 9:3:3:1. Таким образом, результаты дигибридных скрещиваний садового гороха свидетельствовали о том, что расщепление одной пары признаков (круглая и шероховатая форма семян) совершенно не зависит от расщепления Другой пары признаков (желтая и зеленая окраска семян) и что для семян гибридов F характерны не только родительские комбинации признаков, но и рекомбинации (новые комбинации), т. е. сочетание двух пар признаков имеет независимым характер. Другими словами, перераспределение двух пар признаков при их передаче от одного поколения организмов к другим является независимым. Однако важно подчеркнуть, что в независимом перераспределении признаков Г. Мендель увидел независимое перераспределение факторов наследственности или, говоря современным языком, независимое перераспределение генов.

Страницы: 1, 2