<< Предыдущая

стр. 13
(из 34 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>

Химическими мутагенами являются органические и неорганические кислоты, щелочи, перекиси, соли металлов, этиленамины, формальдегид, фонолы, акридиновые красители, алкилирующие соединения, аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований и др. Считают, что для действия химических мутагенов присуща пороговость. Одни химические мутагены действуют как на реплициру-ющуюся, так и покоящуюся ДНК, тогда как другие только на реп-лицирующуюся ДНК. Примером мутагенов, вызывающих изменения и в реплицирующейся, и в покоящейся ДНК, являются алкилирующие соединения (метилметансульфонат, этилметансуль-фонат и нитрозогуанидин) и азотистая кислота. К мутагенам, действующим на реплицирующуюся ДНК, относят аналоги азотистых оснований и акридиновые красители.
Многие химические мутагены нарушают мейоз, что приводит к нерасхождению хромосом, а также вызывают разрывы хромосом и генные мутации. Например, трипофлавин действует на все стадии развития половых клеток, нитрозогуанидин — перед мейозом, а тренинон — после мейоза.
Некоторые из химических немутагенных соединений становятся мутагенами, попав в организм, как например, циклофос4эамид.
Заслуживают внимания химические вещества, используемые в качестве лекарственных соединений. Так после лечения алкилирующими соединениями необходимо избегать зачатия в первые три месяца. Известны сведения о мутагенности оральных (применяемых внутрь) химических контрацептивов, которые получили очень большое распространение в последние десятилетия, а также некоторых соединений, входящих в косметические средства и в консерванты продуктов питания.
Биологическими мутагенами являются вирусы, которые вызывают хромосомные аберрации в культивируемых клетках. Такой способностью обладает, например, вирус гриппа. Транспозируемые генетические элементы также способны вызывать генные и хромосомные мутации.
В экспериментальной работе используют разные способы получения сайтонаправленных индуцированных мутаций, т. е. мутаций, затрагивающих интересующие исследователя участки ДНК. В частности, широко используют мутагенез in vitro клонируемой ДНК, для этого последнюю обрабатывают нуклеазами (рестриктазами) или химическими мутагенами. Кроме того, известны методы мута-генеза химически синтезируемой ДНК. Наконец, возможно получение в стволовых эмбриональных клетках экспериментальных животных хромосомных аберраций генноинженерным методом.
Механизмы полиплоидии заключаются в том, что они являются результатом извращений одного или более митотических делений клеток зародыша или результатом нерасхождения в период мейоза всего набора хромосом, ведущего к образованию диплоидных гамет. Нерасхождение хромосом у женщин имеет место в 80% случаев, а у мужчин оно наблюдается в 20% случаев, причем оно отмечается как в первом, так и во втором мейотических делениях.
Механизмы гетероплоидии также связаны с нерасхождением хромосом. В частности установлено, что, например, у человека три-сомии обеспечиваются нерасхождением хромосом как в первом, так и во втором мейотическом делении.
Механизмы хромосомных аберраций не совсем ясны. В любом случае они связаны с разрывами хромосом, как у растений, так и у животных, что ведет к изменению последовательности хромосомных генов.
Молекулярные механизмы генных мутаций заключаются в изменениях последовательности азотистых оснований в молекулах ДНК. Эти изменения происходят в результате замен, делеций (выпадений), включений и дупликаций оснований, что ведет к изменению содержания кодонов.
Изменения, связанные с заменой оснований в молекулах ДНК, классифицируют на простые и перекрестные замены (табл. 14).
Простые замены, или транзиции, заключаются в замене одного пурина на другой пурин, и наоборот, в двухцепочечной молекуле ДНК — пары А-Т на пару Г-Ц, и наоборот. Транзиции осуществляются в процессе репликации ДНК без изменения ориентации пар пурин-пиримидин в двухцепочечной молекуле ДНК, но при этом происходят изменения в содержании кедонов.
Перекрестные замены, или трансверсии, связаны с заменой в ДНК пурина на пиримидин, и наоборот. Замещающий пиримидин спаривается с пурином, так что в двухцепочечной молекуле ДНК вместо пары пурин-пиримидин оказывается пара пиримидин-пурин. Следовательно, трансверсии приводят к новым ориентациям пар пурин—пиримидин и заключаются в замене в двухцепочечной молекуле ДНК пары А-Т на пару Ц-Г, и наоборот, пары А-Т на пару Т-А, и наоборот, пары Т-А на пару Г-Ц, и наоборот, а также пары Г-Ц на пару Ц-Г, и наоборот.
Таблица 14
Типы замен оснований в молекулах ДНК

Исходное
основание
Основание, занявшее место исходного
Тип замены
Пурин
Другой пурин
Простая замена (транзиция)
Пиримидин
Другой пиримидин
То же
Пурин
Любой пиримидин
Перекрестная замена (трансверсия)
Пиримидин
Любой пурин
Перекрестная замена (трансверсия)

Спонтанные замены азотистых оснований происходят очень редко. Например, в соответствии с существующими расчетами у человека за год случается около 10—20 спонтанных замен оснований, причем одна замена может быть повторена на каждые 10 000 генов лишь 50 раз на протяжении времени в 1 млн лет. Можно полагать, что такая чрезвычайно низкая частота замен оснований в ДНК присуща как животным (млекопитающим), так и растениям. Спонтанные замены азотистых оснований возникают в ДНК в результате «ошибок», совершаемых ДНК-полимеразой и сопровождающихся неправильным спариванием оснований. Одно из объяснений этой «ошибочности» было дано Д. Уотсоном и Ф. Криком еще в 1953 г. и оно сводится к признанию в ошибочном спаривании роли тауто-мерных форм (структур, в которых протон перешел на место, противоположное обычной водородной связи) естественных оснований. Следовательно, структурные основы для мутаций в виде замен оснований обеспечивают таутомеры естественных оснований.


Транзиции индуцируются азотистой кислотой, которая вызывает окислительное дезаминирование аденина, цитозина и гуанина, содержащих свободные аминогруппы, в гипоксантин, урацил и ксантин соответственно. Из-за того, что дезаминирование сопровождается переходом аминооснования в кетонооснование, гипоксантин, например, подобно гуанину, будет спариваться с цитози-ном, т. е. в результате дезаминирования аденина в гипоксантин пара А-Т перейдет в пару Г-Ц. В случае дезаминирования цитозина в урацил пара Г-Ц перейдет в пару А-Т. Транзиции индуцируются также алкилирующими соединениями. Например, этилметан-сульфонат алкилирует гуанин и освобождает от него ДНК без нарушения ее сахарофосфатного каркаса. Следовательно, гуанин может быть заменен любым основанием, и это ведет не только к транзициям, но и к трансверсиям.
Транзиции часто вызываются мутагенами, действующими на ДНК только в состоянии репликации, например, 5-бромурацилом, который является аналогом тимина и способен включаться в ДНК посредством замещения тимина. Наряду с нормальной способностью 5-бромурапила спариваться с аденином иногда возникает состояние, когда он действует не как тимин, а как цитозин, что обеспечивает формирование водородных связей его не с аденином, а с гуанином. Эти «ошибки» спаривания происходят либо при включении 5-бро-мурацила в ДНК («ошибки» включения), либо при репликации ДНК после его включения («ошибки» репликации). Следовательно, время «ошибок» определяет характер транзиции. «Ошибки» спаривания, индуцируемые 5-бромурацилом, ведут к транзициям от пары Г-Ц к паре А-Т, и наоборот (от А-Т к Г-П). Подобные транзиции индуцируются также 2-аминопурином.
Замены оснований приводят к изменениям смысла кодонов, вследствие чего они приобретают способность кодировать другую аминокислоту (миссенс-мутации). Например, замена в триплете ГУА, содержащемся в гене р-гемоглобина, урацила на аденин (трансверсия) сопровождается тем, что в цепи р-гемоглобина вместо валина оказывается глутаминовая кислота. Это ведет к превращению гемоглобина в новый вариант мутантного гемоглобина (например, типа Бристоль). В результате замен оснований возникают также нонсенс-мутации, когда на измененных кодонах обрывается чтение информации гена (как правило, такими кодонами являются триплеты УАГ, УАА и УГА). Одновременно в результате замен образуются кодоны, сохраняющие исходный смысл.
Делеции и включения одного или нескольких азотистых оснований в нуклеотидных последовательностях ДНК могут быть ошибками репликации ДНК или индуцироваться акридиновыми красителями. Такие изменения называют мутациями сдвига рамки, ибо они приводят к сдвигу «рамки чтения» кода гена. Включаясь между соседними основаниями, акридин оранжевый заставляет их «раздвигаться» на расстояние в 0,6-0,8 нм.
Если акридин оранжевый присутствует в полинуклеотидной цепи-шаблоне, то результатом будет добавление основания в новую цепь в процессе репликации ДНК. Если же акридин оранжевый присутствует в клетке во время репликации ДНК, то он может включаться в новую цепь вместо основания, имитируя парное (противоположное) основание в цепи-шаблоне, и затем выйти. Это приводит к тому, что вновь реплицированной цепи будет недоставать основания, т. е. она будет реплицирована с делецией по основанию- Делеции могут затрагивать несколько оснований. Например, описаны делеции 15 оснований, которые сопровождались утратой в белке 5 аминокислот.
Дупликации (добавление) 1—2 оснований могут приводить также к мутациям со сдвигом «рамки считывания» кода. Если дупли-кация происходит внутри гена, то «рамка считывания» нарушается на большом протяжении.
Делеции и дупликации азотистых оснований представляют собой молекулярный механизм и мутации митохондриальной ДНК человека. Установлено, что из мтДНК человека могут быть делегированы сегменты длиной до 5000 пар оснований.
Особую форму молекулярных механизмов генных мутаций представляют повторы триплетов азотистых оснований. Наличие в молекулах ДНК повторов триплетов оснований сопровождается нарушениями нормального цикла репликации ДНК, с одной стороны, и аномальным синтезом белка (из-за повторов аминокислоты, кодируемой повторяющимся триплетом), с другой стороны. Например, мутации гена, контролирующего белок хантингтан, недостаток которого у человека сопровождается болезнью Хантингтона, заключаются в резком увеличении повторов триплета ЦАГ.

§ 48 Репарация повреждений ДНК

Мутагенные и летальные эффекты мутагенов сопровождаются структурными повреждениями, которые они вызывают в молекулах ДНК. Например, в геноме человека непрерывно происходят случайные изменения (повреждения), но сохраняются лишь отдельные из них. Причем очень редко. Так из 1000 замен азотистых оснований лишь одна приводит к мутациям. Причина заключается в том, что эти повреждения часто подвержены восстановлению. Процесс реконструкции повреждений ДНК называют восстановлением или репарацией ДНК.
Характер и механизмы исправления повреждений наиболее полно изучены в случае повреждений, индуцированных УФ-излучени-ем. Клетки реагируют на УФ-излучение тем, что в их ДНК образуются повреждения, главные из которых представляют собой фотохимические изменения в пиримидиновых основаниях, переходящие в пиримидиновые димеры, в частности в тиминовые. Последние образуются за счет ковалентного связывания соседних тиминовых оснований в одной и той же цепи молекулы посредством присоединения углерода одного тимина к углероду другого тимина. Помимо тиминовых димеров в ДНК облученных клеток происходит формирование также цитозин-тиминовых и цитозин-цитозиновых димеров, однако частота их является меньшей. Димеризация фланкирующих оснований в гене сопровождается ингибированием транскрипции и репликации ДНК. Она ведет также к мутациям. В результате этого клетка может погибнуть или подвергнуться малигнизации.
Один их механизмов восстановления повреждений ДНК действует у многих видов организмов, включая человека, и состоит в том, что экспонирование в видимом свете клеток, предварительно обработанных УФ-излучением, приводит к снижению летального эффекта в несколько раз, т. е. к фотореактивации функций облученных клеток. Это реактивирующее действие видимого света связано с расщеплением (мономеризацией) пиримидиновых димеров, причем этот процесс обеспечивается светозависимыми фотореактивирующими ферментами. Второй механизм удаления димеров пиримидиновых оснований из ДНК облученных клеток получил название темновой репарации или вырезания-восстановления. Так же, как и фотореактивация, он представляет собой ферментативный процесс, но более сложный, притом проходящий в темноте (рис. 121). Этот механизм заключается в том, что тиминовые димеры с помощью ДНК-репариру-ющих нуклеаз, осуществляющих гидролиз фосфодиэфирных скелетных связей между нуклеотидами с повреждениями (со стороны 5' от тиминового димера) и нормальной частью молекулы ДНК, подвергаются «вырезанию» из цепи ДНК, в которой после этого остаются бреши. Затем происходит «залатывание» брешей восстановительным синтезом ДНК при участии ДНК-полимеразы, связывающейся с 3'-концом поврежденной цепи ДНК, и использовании противоположной (нормальной) цепи в качестве шаблона. Удаление пиримидиновых димеров из ДНК облученных клеток путем «вырезания» и «залатывания» брешей завершается смыканием вновь реплицированного участка ДНК с соседними поврежденными участками и «замазыванием» («сшиванием») сахарофосфатных скелетных связей с помощью ДНК-лигазы. Таким образом, реализация этого механизма обеспечивается тремя репарирующими ферментами.


Третий механизм восстановления повреждений ДНК называют пострепликационным, или рекомбинационным восстановлением (рис. 122). Он заключается в том, что синтез ДНК в УФ-облученных клетках идет с нормальной скоростью вдоль хромосомы лишь до димера, перед которым он замедляется на несколько секунд, после чего начинается вновь, но уже на другой стороне димера. Поскольку ДНК-полимераза перескакивает через димер, то в дочерней цепи ДНК образуется брешь. Вследствие этого район, содержащий димер в одном дуплексе, будет интактным в сестринском дуплексе, т. е. в дочерних молекулах ДНК одна цепь будет содержать пиримидиновые димеры, тогда как другая будет иметь бреши, которые фактически являются вторичными повреждениями. Следовательно, район, содержащий димеры в одном дуплексе, полностью сохраняется в сестринском дуплексе. Этот процесс заканчивается рекомбинацией вдоль молекулы ДНК после ее репликации, при которой дочерняя цепь, несущая в каком-либо участке брешь, спаривается другой дочерней цепью (комплементарной), несущей брешь в другом месте. Это спаривание позволяет восстановительный синтез, который обеспечивает восстановление правильной последовательности района в каждой бреши. В качестве шаблона используется соответствующий интактный район другой дочерней цепи. Рекомбинационные события на уровне каждой бреши приводят к реконструкции интактной молекулы ДНК, способной к дальнейшей репликации. Рекомбинационное восстановление ДНК обеспечивается рядом белков-рекомбиназ.


В ходе эволюции у клеток выработалась способность синтезировать репарирующие ферменты, которые синтезируются, когда начинают возникать повреждения ДНК. Например, у Е. coli открыта так называемая SOS-репарация, которая заключается в том, что любое повреждение ДНК, сопровождающееся нарушением ее репликации, ведет к усилению транскрипции большого количества генов (более 15), кодирующих репарирующие белки. Этот процесс сопровождается повышением выживаемости клеток. Известно также, что существуют репарирующие системы, которые активируются, если в ДНК образуются метилированные нуклеотиды. Подобные индуцированные системы репарации существуют, вероятно, и у эукариотических клеток.
У человека известен синдром «ксеродерма пигментозум», который наследуется в качестве хромосомного рецессивного признака и который характеризуется чрезвычайной чувствительностью кожи к солнечному свету, в результате чего она подвергается избыточной пигментации, а затем часто происходит и малигнизация кожных клеток, т. е. развивается кожный рак. Возникновение этого синдрома связано с дефектом способности вырезать тиминовые димеры из ДНК. Известен также синдром Блума, наследуемый в качестве рецессивного признака и заключающийся в повышенной чувствительности индивидов к солнечному свету. Этот синдром связан также с увеличением геномной нестабильности в виде повышения сестринских хроматидных обменов, хромосомных аберраций в геномах больных, повышения риска развития у них всех типов рака и, самое главное, с дефектом восстановления их ДНК. Как для синдрома «ксеродерма пигментозум», так и для синдрома Блума характерна иммунологическая недостаточность у больных.
Нормальные повреждения ДНК, индуцированные солнечным светом (УФ-компонентом), восстанавливаются «вырезанием-восстановлением».
Некоторые из потенциально летальных или вторичных повреждений, индуцируемых рентгеновским излучением, могут быть восстанавливаемыми посредством рекомбинации или какого-либо другого механизма, в котором участвуют ферменты-рекомбиназы. Предполагается также, что в отличие от повреждений ДНК, индуцированных УФ-излучением, повреждения, индуцированные рентгеновским излучением, подвержены восстановлению (через рекомбинацию) еще до первой постлучевой репликации.
Повреждения, вызываемые в ДНК химическими мутагенами, также восстанавливаются с помощью того или иного механизма. Каждый из механизмов восстановления ДНК является, по существу, системой защиты ДНК. В то же время восстановление ДНК часто сопровождается ошибками, проявляющимися в форме мутаций.
Обобщая значение репарационных механизмов в жизни клеток, можно заключить, что репарация повреждений ДНК обеспечивает поддержание стабильности генов, причем она основана на наличии двух цепей в ДНК. Именно благодаря этому повреждения в одной цепи могут репарироваться за счет информации неповрежденной цепи. Однако ДНК, вопреки тому, что она является хранителем генетической информации, все же обладает ограниченной химической стабильностью. В клетках с довольно высокой частотой встречается гидролиз, окисление и неэнзиматическое метилирование ДНК. Эти реакции взаимодействуют с восстановлением ДНК. Предполагают, что спонтанный распад ДНК, вероятно, является главным фактором в спонтанном мутагенезе, карциногенезе и наступлении старения организмов. Таким образом, ДНК представляется противоречивой структурой. С одной стороны, она очень консервативна в плане ее стабильности, с другой стороны, она очень подвержена распаду.

§49 Эволюция генов и геномов клеток

В историческом плане вопрос об эволюции генов является важнейшим, поскольку эволюция генов связана с истоками жизни вообще и ее совершенствованием в частности. Поскольку выявлена изначальная роль в происхождении жизни РНК, то предполагают, что начало эволюции генов датируется 3,5-4 млрд лет назад, когда сформировались первые молекулы РНК, которые каким-то образом детерминировали синтез белков, т. е. были первыми хранителями генетической информации. Однако когда выявилась необходимость в повышении эффективности синтеза белков, способность кодирования генетической информации перешла к ДНК, которая стала главным хранителем генетической информации. Что касается РНК, то она оказалась между ДНК и белком, став «переносчиком» информации. Конечно, эта гипотеза не имеет доказательств. Тем не менее многие далее считают, что появление ДНК связано с усложнением структуры клеток и, следовательно, необходимостью кодирования большого количества информации по сравнению с РНК. Другими словами, с началом участия ДНК в хранении генетической информации стал развиваться генетический код.
В последнее время большое внимание приобрела гипотеза, в соответствии с которой источником новых генов является рекомбинация эксонов, а также транспозоны, поступающие в геномы организмов.
Особый интерес в эволюционном плане представляет ДНК, которая не транскрибируется (эгоистическая ДНК). Казалось, должны быть какие-то факторы контрселекции, которые обеспечивают поддержание этой ДНК в клетках. Между тем такие факторы неизвестны. Тем не менее очень популярно предположение, что эгоистическая ДНК тоже является источником образования новых генов.
В обсуждении направления эволюции геномов известно два объяснения. Одни ученые предполагают, что увеличение геномов клеток в процессе эволюции организмов шло путем включения в ядерные структуры дополнительных копий генов, в то время как другие считают, что в эволюции шла дупликация уже образованных генов с последующей их дивергенцией. Доказательства включения генов в геномы отсутствуют, тогда как предположение о дупликации и дивергенции генов имеет существенные обоснования, причем эти обоснования исходят из данных о том, что многочисленные семейства белков кодируются наборами родственнных генов.
Установлено, например, что в кодировании яичного альбумина цыплят участвует несколько генов. Лейкоцитарный интерферон человека кодируется девятью неаллельными генами, а 8-кристаллин цыплят — двумя генами.
Белок актин у насекомых и морских ежей контролируется тоже несколькими генами, причем для каждого актина в разных сократительных клетках существует свой ген. Белки хориона контролируются тоже несколькими генами, причем объединенными в сложный кластер. Идентифицировано несколько генов, кодирующих родопсины, обеспечивающие восприятие разных цветов. Наконец, иммуноглобулины также кодируются многими генами, например, у мышей тремя генами. Известны и другие примеры. Поэтому можно сказать, что синтез лишь нескольких белков контролируется одиночными генами. Например, одним геном кодируется синтез инсулина человека и кур. В подтверждение предположения о дупликации и дивергенции генов и, следовательно, о механизмах увеличения геномов наиболее показательны данные об эволюции мультисемейства генов, кодирующих гемоглобины.
У морских червей, некоторых насекомых и рыб размеры глобиновой молекулы, переносящей кислород, составляют всего лишь 150 аминокислотных остатков. У человека каждая молекула гемоглобина состоит из двух a-полипептидных цепей и двух b-полипептидных цепей.


Синтез гемоглобинов кодируется двумя несцепленными кластерами генов. Кластер глобиновых генов локализован на 16 хромосоме и содержит два эмбриональных, а также два почти идентичных фетальных глобиновых гена. Второй кластер, располагающийся на хромосоме II, кодирует b-глобины. Он состоит из b-глобинового гена, одного эмбрионального e-гена, двух фетальных генов, а также гена d-глобина.
Исходя из данных о генетическом контроле глобинов и данных секвенирования глобиновых генов, предполагают, что самая первая дупликация гена, контролирующего синтез белка, являющегося предшественником гемоглобина, произошла 1 млрд лет назад, дав начало паре генов. Один ген из этой пары в ходе эволюции стал геном, контролирующим синтез миоглобина, другой развился в ген, контролирующий синтез гемоглобина. В последующем (около 500 млн лет назад) ген гемоглобина вновь подвергся дупликации, в результате чего возникли гены, контролирующие синтез гемоглобиновых цепей a и b. Через некоторое время дальнейшей дупликации подвергся ген b-цепи, что дало начало гену гемоглобина, синтезируемого только в эмбриональном периоде. Далее ген эмбрионального гемоглобина подвергся тоже дупликации, что дало начало уже гемоглоби-нам d и b. Еще одна дупликация гена b-цепи дала ген, кодирующий синтез e-глобина (рис. 123). Таким образом, в результате серии тандемных дупликации исходный глобиновый ген стал на одной из стадий развития кластерами генов a- и b-глобинов.
Эволюция геномов ускоряется транспозируемыми элементами, которые обладают способностью наращивать геномы. Наконец, увеличению геномов способствует генетическая рекомбинация.
Один из принципиальных вопросов связан с познанием механизмов, предупреждающих гены от дупликации в результате транскрипционной активации генов-«сосед ей». В недавнее время на примере D. melanogaster показано существование пограничных сегментов (последовательностей) ДНК, функционально изолирующих соседние гены. Длина последовательностей-изоляторов составляет около 340 пар оснований. Не исключено, что такие последовательности существуют и у других организмов.


Вопросы для обсуждения

1. На чем основаны представления о том, что генетическим материалом являются нуклеиновые кислоты? Каково значение генной инженерии в перечне доказательств генетической роли ДНК?
2. Существует ли связь между размерами генома (в количестве нукле-отидных пар) и видовой принадлежностью организмов? Приведите примеры в обоснование вашей точки зрения.
3. Что вы знаете о путях увеличения генома клеток в процессе развития организмов от низших форм к высшим?
4. Определите в сантиметрах общую длину ДНК в клетках человека.
5. ДНК стабильна при рН11, но РНК деградирует до нуклеотидов при щелочной реакции. Используйте учебники по биохимии и объясните причину этого явления.
6. Если субъединицы b и b' РНК-полимеразы составляют 0,005 доли от массы общего белка в клетках Е. coli, то сколько будет в клетке молекул РНК-полимеразы при условии, что каждая субъединица b и b' представляет цельную молекулу этого фермента?
7. Почему мочевина денатурирует РНК?
8. Состав оснований (фракция Г+Ц) двухцепочечной молекулы ДНК отражается на показателях плавучей плотности в хлориде цезия и температуры плавления (Тп), при которой половина молекул «плавится» на отдельные цепи. Было найдено, что плавучая плотность равна 1,660 + (0,098ґфракция Г+Ц), фракция Г+Ц = 2,44 (Тп — 69,3), причем Tп определена в стандартном солевой растворе. Плавучая плотность ДНК крысы составляет 1,702, D. melanogaster — 1,698 и дрожжей — 1,699. Определите фракцию Г+Ц и температуру плавления для ДНК каждого вида.
9. Каково значение митохондриальной ДНК человека?
10. Что представляют собой транспозируемые генетические элементы? Как их классифицируют?
11. Что представляют собой плазмиды?
12. Что представляют собой повторяющиеся последовательности ДНК и как часто они повторяются в геноме человека?
13. В чем заключается полуконсервативный способ репликации ДНК и каково биологическое значение такого способа репликации?
14. Какова роль ферментов в репликации ДНК?
15. Есть ли разница между репликацией ДНК и репликацией хромосом?
16. Что такое нуклеосома и каковы ее размеры? Какова роль белков в упаковке ДНК в хромосомы?
17. Вычислите число нуклеотидных пар в 1 мегадальтоне двухцепочечной ДНК.
18. Как вы думаете, сколько генов имеется в одной клетке человека при условии, что длина одного гена составляет около 500 пар нуклеотидов?
19. По данным кислотного гидролиза препарат ДНК, выделенной из клеток мертворожденного плода человека, характеризовался следующим составом (в %): аденин — 25, тимин — 32, гуанин — 22, цитозин — 21. Каким образом можно объяснить этот необычный результат исследования, руководствуясь данными о структуре ДНК?
20. Какой будет длина и суммарная масса ДНК, если в ней объединить молекулы ДНК из всех клеток новорожденного ребенка, организм которого состоит из 2,6ґ1012 клеток?
21. Что представляют собой ферменты Оказаки и какова их роль в репликации ДНК?
22. Можете ли вы назвать экспериментальные данные, подтверждающие антипараллельную ориентацию цепей в молекуле ДНК?
23. После денатурации ДНК ренатурировали, позволив регибридиза-цию цепей до 1% их последовательностей. Затем эту ДНК подвергли обработке нуклеазой I до полного переваривания молекул, после чего ее «разогнали» путем электрофореза в агарозном геле. Каковы результаты электрофореза?
24. Каким образом можно определить генетическую локализацию IS1-последовательностей в геноме Е. coli?
25. Что собой представляют прямые и обратные мутации и каковы частоты этих мутаций по сравнению с супрессорными мутациями?
26. В чем заключаются молекулярные механизмы генных мутаций?
27. Опишите механизмы действия физических и химических мутагенов.
28. Могут ли восстанавливаться повреждения ДНК? Если да, то с помощью каких механизмов и какое значение это явление имеет в жизни организмов?
29. Можете ли вы объяснить расщепление ДНК в процессе ее восстановления с 5'-стороны от тиминового димера, но не с 3'-стороны?

Литература

Альберте В., Брей Д., Льюис Дж., Ряфф М., Роберте К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. М.: Мир. 1994. Т. 1. 815 стр.
Пехов А. П. Основы плазмидологии. М.: РУДН. 1998. 231 стр.
Karcher S. J. Molecular Biology. Academic Press. 1995. 273 pp.
Schleif R. Genetics and Molecular Biology. The Johns Hopldns University Press. 1983. 698 pp.




Глава XI
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕДАЧИ
ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМОСОМ

Свременные 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 (дигиб-ридные 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.

§50 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 (рис. 124), 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.

§51 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. Следова- тельно, 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 (табл.15).
Таблица 16
Расщепление гибридов садового гороха второго поколения
в опытах Г. Менделя

Признаки растений исходных линий
Общее количество учтенных гибридов
Доминантные признаки

Рецессивные признаки



количество гибридов
%
количество гибридов
%
форма семян
7324
5474
74,74
1850
25,26
Окраска семядолей
Окраска кожуры семян
8023
929
6022
705
75,06 75,89
2001
224
24,94 24,11
форма бобов
1181
882
74,68
299
25,32
Окраска незрелых бобов
580
428
73,79
152
26,21
Расположение цветков
858
651
75,87
207
24,13
Высота растений
1064
787
73,96
277
26,04
Всего:
19959
14949
74,90
5010
25,10

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 (см.рис. 124).
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 мен-делевском 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 (см. рис. 124). 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 гомо-зиготные 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 (сегре-гируют) 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 (рис. 125) 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.

§52 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 (рис. 126).
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 пере
даче 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.
Чтобы понять независимое перераспределение генов, вновь обратимся к символике (см. рис. 126), обозначив доминантный ген, контролирующий круглую форму семян, символом R, а его аллель, контролирующий шероховатую форму семян, — символом г. Что касается доминантного гена, контролирующего желтую окраску семян, то обозначим его Y, а его аллель, контролирующий зеленую окраску семян, — у. Используя эти символы и зная, что исходные родительские растения были чистолинейными, можно полагать, что растения, дававшие круглые желтые семена, несли гены RRYY, тогда как растения, дававшие семена шероховатой формы и зеле--ного цвета, несли гены ггуу. Следовательно, растения RRYY продуцировали гаметы RY, а растения rryy — гаметы гу, объединение которых давало начало гибридным зиготам Fi с генотипом RrYy.
Как видно, гибриды F1 являются гетерозиготными растениями по двум парам генов, т. е. растениями RrYy. Если иметь в виду лишь форму семян, то гибриды F с генотипом Rr будут продуцировать гаметы Риг поровну. Если же иметь в виду одновременно форму и окраску семян, то каждая гамета, продуцируемая гибридом Fi с генотипом RrYy, будет нести не только один генный аллель для формы семян, но и один генный аллель для окраски семян. Так, например, гаметы с аллелем R или с аллелем г наполовину будут одновременно гаметами Y и наполовину одновременно гаметами у. Однако важно заметить, что сочетание аллеля, детерминирующего круглую форму семян, с аллелем, определяющим желтую окраску семян, или с аллелем, определяющим зеленую окраску семян, является делом случая. Поскольку перераспределение генов имеет независимый характер, то среди гамет R, продуцируемых Г,-гибридом RrYy, половина гамет будет обладать аллелем Y и половина — аллелем у. Учитывая то, что гаметы R сами составляют половину гамет, продуцируемых гибридом F1, гаметы как RY, так и гу будут составлять по 1/4 от общего количества гамет гибрида F. Точно так же другая половина гамет, продуцируемая гибридом F1, т. е. гаметы г в свою очередь наполовину будут гаметами rY и наполовину — гаметами Ry, составляя соответственно по \ I ц от общего количества гамет гибрида F1. Другими словами, гибриды F1 продуцируют гаметы четырех типов — RY, Ry, rY и гу, причем в равных количествах. Заметим, что Ry и rY являются гаметами рекомбинантного типа.
Гаметы четырех типов, продуцируемые гибридами Гд, являются как мужскими, так и женскими, т. е. мужские гаметы будут гаметами четырех типов и женские гаметы будут гаметами четырех типов. Поскольку объединение тех или иных мужских и женских гамет при оплодотворении также является делом случая и одинаково вероятно, то скрещивания F1ґF1 дадут начало зиготам, несущим все 16 возможных комбинаций генов (рис. 126). Фенотипически организмы F2 различаются между собой, т.к. 9 из них дают круглые желтые семена, 3 — круглые зеленые, 3 — шероховатые желтые и 1 — шероховатые зеленые. Следовательно, фено-типическое отношение между организмами Fg составляет 9:3:3:1. Гибриды F2 различаются одновременно и по генотипу. Организмы, которые дают круглые и желтые семена, по генотипу можно классифицировать на четыре типа:
а) организмы с генотипом RRYY (гомозиготные по обеим парам генов и дающие потомство с таким же фенотипом и генотипом при скрещивании между собой);
б) организмы с генотипом RRYy (гомозиготные по паре генов, определяющих форму семян, но гетерозиготные по паре генов, определяющих окраску семян, вследствие чего являются чистоли-нейными в дальнейших скрещиваниях лишь по генной паре RR);
в) организмы с генотипом RrYY (гетерозиготные по паре генов, определяющих форму семян, но гомозиготные по паре генов, определяющих окраску семян, вследствие чего являются чистоли-нейными в дальнейших скрещиваниях лишь по паре генов YY);
г) организмы с генотипом RrYy (гетерозиготные по обеим парам генов и при скрещивании между собой будут давать потомство, подобное потомству Fg).
Кроме того, организмы с генотипами RRYY, RRYy, RrYY и RrYy различаются между собой и количественно, составляя отношение 1:2:2:4 (соответственно).
Приведенные выше рассуждения с использованием символов основаны на допущениях. Однако Г. Мендель проверил их экспериментально путем скрещиваний между собой всех 315 гибридов Fg, которые давали круглые желтые семена. Проанализировав потомство, полученное в этих скрещиваниях, он обнаружил организмы всех типов, которые следовало ожидать на основании допущений, приведенных выше (пп. а, б, в, г).
Для доказательства справедливости своих допущений о независимом распределении двух пар аллельных генов Г. Мендель использовал также и дигибридные анализирующие скрещивания растений Г,, дающих круглые желтые семена, с гомозиготными рецессивными по двум парам генов исходными родительскими растениями, дающими шероховатые зеленые семена. Вспомним, что гибриды Fi имеют генотип RrYy и продуцируют в равных количествах гаметы RY, rY, Ry и гу, тогда как исходные родительские гомозиготные рецессивные растения имеют генотип ггуу и продуцируют гаметы только одного типа — гу. Следовательно, в результате этих скрещиваний можно было ожидать появление организмов, которые будут давать круглые желтые семена (генотип RrYy), шероховатые желтые семена (генотип rrYy), круглые зеленые семена (генотип Rryy) и шероховатые зеленые семена (генотип ггуу), причем в отношении 1 : 1 : 1 : 1 (в равных количествах). Как показали анализирующие дигибридные скрещивания, возникавшие гибриды по своим свойствам соответствовали ожидаемым.
Независимый характер перераспределения генов был установлен Г. Менделем и в скрещиваниях растений, различающихся между собой по трем парам признаков (тригибридные скрещивания). Рассмотрим один из менделевских экспериментов, в котором скрещивали растения садового гороха, дающие желтые круглые семена и имеющие красные цветки, с растениями, дающими шероховатые зеленые семена и имеющими белые цветки. Если использовать символы R и г, Y и у для обозначения пар генов, детерминирующих форму и окраску семян, а символы С и c — для обозначения пары генов, детерминирующих окраску цветков, то тогда генотипы скрещиваемых растений двух линий можно обозначить как RRYYCC и ггуусс, соответственно, имея в виду также генотипы скрещиваемых организмов, можно было полагать, что последние продуцируют гаметы, несущие гены RYC и гены гус.
Тригибридные скрещивания дали начало гетерозиготным по всем трем парам генов тригибридам F1 с генотипом RrYyCc и вследствие доминантности фенотипически характеризующимся тем, что их семена будут круглыми желтыми, а цветки — красными. Тригибриды F1 отличались от дигибридов F1 тем, что вследствие независимого перераспределения генов они продуцировали гаметы не четырех, а восьми типов: RYC, RYc, RyC, Rye, rYC, rYc, ryC и rye, где большинство гамет (кроме RYC и гус) являлось рекомбинант-ным, т. е. несло новые (рекомбинантные) сочетания генов. Тригибриды F1 отличались от дигибридов F1 также и тем, что случайное объединение между теми или иными их гаметами (восьми типов) при оплодотворении приводило к формированию не 16, а 64 комбинаций гибридов F2. Эти гибриды по фенотипу можно было разделить на 8 групп, состоящих из разного количества растений, для которых характерны следующие свойства:

круглые желтые семена, красные цветки — 27 растений,
круглые желтые семена, белые цветки — 9 —»—
круглые зеленые семена, красные цветки — 9 —»—
шероховатые желтые семена, красные цветки — 9 —»—
круглые зеленые семена, белые цветки — 3 —»—
шероховатые желтые семена, белые цветки — 3 —»—
шероховатые зеленые семена, красные цветки — 3 —»—
шероховатые зеленые семена, белые цветки — 1 —»—

Как мы уже видели, часть фенотипически сходных моногибридов F2 и дигибридов F2 генотипически разнообразна. Аналогичная ситуация имела место и в случае части фенотипически сходных тригибридов F2. To, что это действительно было так, экспериментально устанавливалось путем скрещиваний тригибридов F2 между собой и изучения тригибридов F3.
Результаты, которые можно ожидать при изучении тригибридов F2 и F3 приводятся в табл. 16.


Таблица 16

<< Предыдущая

стр. 13
(из 34 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>