Основы хромосомной теории наследственности созданы. Хромосомная теория наследственности. Наследование, сцепленное с полом. Развитие биометрических методов изучения наследственности

Заключённые в ядре клетки, являются носителями генов и представляют собой материальную основу наследственности, т.е. преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом. Х. т. н. возникла в начале 20 в. на основе клеточной теории и использования для изучения наследственных свойств организмов гибридологического анализа.

В 1902 У. Сеттон в США, обративший внимание на параллелизм в поведении хромосом и менделевских т. н. "наследственных факторов", и Т. Бовери в Германии выдвинули хромосомную гипотезу наследственности, согласно которой менделевские наследственные факторы (название впоследствии генами) локализованы в хромосомах. Первые подтверждения этой гипотезы были получены при изучении генетического механизма определения пола у животных, когда было выяснено, что в основе этого механизма лежит распределение половых хромосом среди потомков. Дальнейшее обоснование Х. т. н. принадлежит американскому генетику Т. Х. Моргану , который заметил, что передача некоторых генов (например, гена, обусловливающего белоглазие у самок дрозофилы при скрещивании с красноглазыми самцами) связана с передачей половой Х-хромосомы, т. е. что наследуются признаки, сцепленные с полом (у человека известно несколько десятков таких признаков, в том числе некоторые наследственные дефекты — дальтонизм, гемофилия и др.).

Доказательство Х. т. н. было получено в 1913 американским генетиком К. Бриджесом, открывшим нерасхождение хромосом в процессе мейоза у самок дрозофилы и отметившим, что нарушение в распределении половых хромосом сопровождается изменениями в наследовании признаков, сцепленных с полом.

С развитием Х. т. н. было установлено, что гены, расположенные в одной хромосоме, составляют одну группу сцепления и должны наследоваться совместно; число групп сцепления равно числу пар хромосом, постоянному для каждого вида организмов; признаки, зависящие от сцепленных генов, также наследуются совместно. Вследствие этого закон независимого комбинирования признаков должен иметь ограниченное применение; независимо должны наследоваться признаки, гены которых расположены в разных (негомологичных) хромосомах. Явление неполного сцепления генов (когда наряду с родительскими сочетаниями признаков в потомстве от скрещиваний обнаруживаются и новые, рекомбинантные, их сочетания) было подробно исследовано Морганом и его сотрудниками (А. Г. Стёртевантом и др.) и послужило обоснованием линейного расположения генов в хромосомах. Морган предположил, что сцепленные гены гомологичных хромосом, находящиеся у родителей в сочетаниях и , в мейозе у гетерозиготной формы ® могут меняться местами, в результате чего наряду с гаметами АВ и ab образуются гаметы Ab и аВ. Подобные перекомбинации происходят благодаря разрывам гомологичных хромосом на участке между генами и последующему соединению разорванных концов в новом сочетании: Реальность этого процесса, названного перекрестом хромосом, или кроссинговером, была доказана в 1933 нем, учёным К. Штерном в опытах с дрозофилой и американскими учёными Х. Крейтономи Б. Мак-Клинток — с кукурузой. Чем дальше друг от друга расположены сцепленные гены, тем больше вероятность кроссинговера между ними. Зависимость частоты кроссинговера от расстояний между сцепленными генами была использована для построения генетических карт хромосом. В 30-х гг. 20 в. Ф. Добржанский показал, что порядок размещения генов на генетических и цитологических картах хромосом совпадает.

Согласно представлениям школы Моргана, гены являются дискретными и далее неделимыми носителями наследственной информации. Однако открытие в 1925 советскими учёными Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым, а в 1927 американским учёным Г. Мёллером влияния рентгеновских лучей на возникновение наследственных изменений (мутаций) у дрозофилы, а также применение рентгеновских лучей для ускорения мутационного процесса у дрозофилы позволили советским учёным А. С. Серебровскому, Н. П. Дубинину и др. сформулировать в 1928—30 представления о делимости гена на более мелкие единицы, расположенные в линейной последовательности и способные к мутационным изменениям. В 1957 эти представления были доказаны работой американского учёного С. Бензера с бактериофагом Т4. Использование рентгеновских лучей для стимулирования хромосомных перестроек позволило Н. П. Дубинину и Б. Н. Сидорову обнаружить в 1934 эффект положения гена (открытый в 1925 Стёртевантом), т. е. зависимость проявления гена от места расположения его на хромосоме. Возникло представление о единстве дискретности и непрерывности в строении хромосомы.

Х. т. н. развивается в направлении углубления знаний об универсальных носителях наследственной информации — молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Установлено, что непрерывная последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований вдоль цепи ДНК образует гены, межгенные интервалы, знаки начала и конца считывания информации в пределах гена; определяет наследственный характер синтеза специфических белков клетки и, следовательно, наследственный характер обмена веществ. ДНК составляет материальную основу группы сцепления у бактерий и многих вирусов (у некоторых вирусов носителем наследственной информации является рибонуклеиновая кислота); молекулы ДНК, входящие в состав митохондрий, пластид и др. органоидов клетки, служат материальными носителями цитоплазматической наследственности.

Х. т. н., объясняя закономерности наследования признаков у животных и растительных организмов, играет важную роль в с.-х. науке и практике. Она вооружает селекционеров методами выведения пород животных и сортов растений с заданными свойствами. Некоторые положения Х. т. н. позволяют более рационально вести с.-х. производство. Так, явление сцепленного с полом наследования ряда признаков у с.-х. животных позволило до изобретения методов искусственного регулирования пола у тутового шелкопряда выбраковывать коконы менее продуктивного пола, до разработки способа разделения цыплят по полу исследованием клоаки — отбраковывать петушков и т.п. Важнейшее значение для повышения урожайности многих с.-х. культур имеет использование полиплоидии. На знании закономерностей хромосомных перестроек основывается изучение наследственных заболеваний человека.

Закономерности, открытые школой Моргана, а затем подтвержденные н углубленные на многочисленных объектах, известны под общим назва-нием хромосомной теории наследственности.

Основные положения ее следующие:

1. Гены находятся в хромосомах; каждая хромосома представляет со-бой группу сцепления генов; число групп сцепления у каждого вида рав-но числу пар хромосом.

2. Каждый ген в хромосоме занимает определенное место (локус); гены в хромосомах расположены линейно.

3. Между гомологичными хромосомами происходит обмен аллельными генами.

4. Расстояние между генами (локусами) в хромосоме пропорциональ-но числу кроссинговера между ними.

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В 2015 году исполняется 100 лет хромосомной теории наследственности . Ее основные положения были сформулированы Т. Морганом, А. Стёртевантом, Г. Мёллером и К. Бриджесом в книге «Механизм менделевской наследственности», вышедшей в Нью-Йорке в 1915 году. А позднее Томас Морган получил первую «генетическую» Нобелевскую премию - за открытие роли хромосом в наследственности. Юбилею хромосомной теории была посвящена международная конференция «Хромосома 2015», прошедшая в августе 2015 года в Новосибирском Академгородке. Нижеизложенный текст - это авторские комментарии к постеру об истории исследований хромосом , представленному на конференции, а теперь и на «Биомолекуле» - в самой «живой» конкурсной номинации «Наглядно о ненаглядном ».

Обратите внимание!

Более полную информацию можно найти в книге - Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. . Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009 г. - 258 с., ISBN 978-5-7692-1045-7

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни ». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon .

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science .

Нижеизложенный текст - это краткие комментарии к постеру, а более полную информацию можно найти в книге: Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Хромосомы. Структура и функции . Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009 г. - 258 с., ISBN 978-5-7692-1045-7.

Нажмите на изображение, чтобы увеличить (откроется в отдельном окне).

Генетическая роль хромосом

Каждый организм воспроизводит лишь себе подобных, и даже в мелких чертах внешности и поведения детей можно увидеть сходство с их родителями. Первый шаг на пути к пониманию, почему так происходит, сделал монах из австрийского города Брюнн (сейчас это чешский Брно) Г. Мендель (G. Mendel ). В 1865 году на заседании Брюннского общества испытателей природы он сделал доклад под названием «Опыты над растительными гибридами » (Versuche über Pflanzen-Hybriden ), а в 1866 году опубликовал его в сборнике трудов этого общества. Монах-естествоиспытатель описал результаты скрещиваний разных форм гороха и предположил наличие особых факторов, от которых зависят внешние признаки растения. Закономерности наследования этих факторов позднее были названы законами Менделя . Однако современники не поняли значения этого открытия и забыли про него, и лишь в 1900 году Г. де Фриз (H. de Vries , Нидерланды), К. Корренс (C. Correns , Германия) и Э. Чермак (E. Tschermak , Австрия) независимо друг от друга переоткрыли законы Менделя.

Задолго до всех этих исследований, которые сейчас бы назвали генетическим анализом, ученые, занимавшиеся ботаникой, зоологией, эмбриологией, гистологией и физиологией, заложили основу цитогенетики - науки о хромосомах. В разных статьях и книгах приоритет открытия хромосом отдан разным людям, но чаще всего годом их открытия называют 1882, а их первооткрывателем - немецкого анатома В. Флемминга (W. Flemming ). Однако справедливее было бы сказать, что он не открыл хромосомы, а лишь собрал и упорядочил в своей фундаментальной книге «Клеточное вещество, ядро и деление клетки » (Zellsubstanz, Kern und Zellteilung ) всё, что было известно о них на тот момент. Сам же термин «хромосома» ввел в науку немецкий гистолог Х. Вальдейер (H. Waldeyer ) в 1888 году, и в буквальном переводе термин означает «окрашенное тело».

Сейчас сложно сказать, кто сделал первое описание хромосом. В 1842 году швейцарский ботаник К. Нэгели (C. Nägeli ) опубликовал работу, в которой изобразил некие тельца, возникающие на месте ядра во время деления клетки при образовании пыльцы у лилии и традесканции. Возможно, это и были первые рисунки хромосом. Первое (1873 год) подробное описание митоза у плоского червя Mesostoma ehrenbergii принадлежит, как считают, немецкому зоологу А. Шнайдеру (F.A. Schneider ). Он описал не просто отдельные стадии митоза, которые видели и до него, а всю последовательность сложных изменений ядра: возникновение на его месте нитевидных телец, их расхождение в противоположные стороны и формирование новых ядер в дочерних клетках. Другой тип деления - мейоз - впервые подробно описал Э. ван Бенеден (E. van Beneden , Бельгия) в 1883 году, наблюдая за образованием гамет у аскариды. Он обнаружил, что в мейозе число хромосом уменьшается вдвое, а при оплодотворении восстанавливается, и, несмотря на различие в размерах, мужская и женская гаметы привносят в зиготу равное число хромосом.

* - Немного о месте и предназначении мобильных генетических элементов в про- и эукариотических геномах: «Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация „общества“ бродяжек и домоседов », «Геном человека: полезная книга, или глянцевый журнал? », «„Мусорная“ ДНК управляет эволюцией млекопитающих? » - Ред.

Еще одним вариантом обмена участками является сестринский хроматидный обмен (СХО). Если при кроссинговере обмениваются хроматиды разных хромосом, то в случае СХО обмениваются хроматиды внутри одной хромосомы. Впервые СХО увидел американский генетик Д. Тейлор (J. Taylor ) в 1958 году.

С кроссинговером, хоть и неоднозначно, но связано формирование в профазе мейоза особой структуры из пары гомологичных хромосом - синаптонемного комплекса . Он был открыт в 1956 году независимо двумя американскими цитологами: М. Мозесом (M. Moses ) у речного рака и Д. Фоцеттом (D. Fawcett ) у мыши.

Многообразие хромосом

Если понимать под хромосомами любые носители наследственной информации, то они исключительно разнообразны по размеру, форме, внешнему виду, составу и числу. Хромосомы вирусов и бактерий могут быть кольцевыми и линейными. Хромосомы хлоропластов и митохондрий имеют кольцевую форму. Ядерные хромосомы эукариот имеют линейную форму, и именно они в виде телец X- и V-образной формы обычно приходят на ум при упоминании хромосом. Их называют митотическими или метафазными , поскольку такой вид они имеют во время деления - митоза (а метафаза - это одна из его стадий).

В 1912 году российский ботаник и цитолог С.Г. Навашин показал, что метафазные хромосомы обладают индивидуальным набором признаков, включающим размер, соотношение длин плеч, наличие спутников и перетяжек. Используя положение центромеры или соотношение длин плеч, С.Г. Навашин предложил классификацию митотических хромосом, которую используют и по сей день: метацентрики, субметацентрики, акроцентрики и телоцентрики.

Число хромосом у разных видов организмов может варьировать в самых широких пределах: от двух (у пары видов растений и одного из австралийских муравьев) до 1440 у папоротника Ophioglossum reticulatum и даже 1600 у морской радиолярии Aulacantha scolymantha . У человека число хромосом составляет 46, и оно было определено только в 1955 году, а опубликовано в 1956 цитогенетиком китайского происхождения Д. Чио (J. Tjio ) в соавторстве со своим руководителем А. Леваном (A. Levan ) в Швеции. Несколькими месяцами позже число подтвердили британцы Ч. Форд (C. Ford ) и Д. Хамертон (J. Hamerton ). Количество хромосом человека пытались определить еще с конца XIX века. В разных случаях получались разные значения: 18, 24, 47 или 48, - и только в 1955 году убедились, что хромосом у человека 46. В честь этого события на здании Института генетики Университета шведского города Лунда (где это событие и случилось) в 2003 году была открыта мемориальная доска с изображением той самой метафазной пластинки, по которой и были посчитаны хромосомы. Любопытно, что число хромосом шимпанзе (48) было выяснено на 15 лет раньше.

Общепринято, что число хромосом у каждого вида живых организмов постоянно, и в подавляющем большинстве случаев так и есть. Однако у некоторых животных и растений существуют так называемые сверхчисленные , или добавочные , хромосомы. Все хромосомы основного набора называют A-хромосомами . Они присутствуют всегда, и потеря или добавление хотя бы одной из них ведет к серьезным последствиям. Добавочные же хромосомы называют B-хромосомами , и их главные особенности - необязательность наличия и непостоянство числа. Впервые сверхчисленные хромосомы были найдены Э. Уилсоном (E. Wilson , США) в 1906 году у клопа Metapodius terminalis .

Своеобразный тип хромосом, названный хромосомами типа «ламповых щеток » , можно видеть в профазе первого деления мейоза при формировании ооцитов у птиц, рыб, рептилий и земноводных. Впервые их упоминает в своей фундаментальной книге (1882) В. Флеминг, который обнаружил эти хромосомы у аксолотля . Название они получили за сходство с ершиком для чистки керосиновых ламп.

Совершенно особое место среди всех типов хромосом занимают политенные хромосомы , которые имеют вид длинных толстых шнуров с поперечными полосками. Их открыл французский эмбриолог Э. Бальбиани (E. Balbiani ) в 1881 году в ядрах клеток слюнных желез личинок комара Chironomus plumosus . Политенные хромосомы сыграли выдающуюся роль в развитии генетики, цитогенетики и молекулярной биологии. С их помощью была показана линейность расположения генов и однозначно доказана генетическая роль хромосом. На политенных хромосомах дрозофил был впервые описан хромосомный полиморфизм диких популяций. Именно на политенных хромосомах были открыты гены белков теплового шока - компонентов системы, охраняющей клетки всех организмов от стрессорных воздействий. Политенные хромосомы сыграли ключевую роль в исследовании системы дозовой компенсации у дрозофилы.

Эволюция хромосом и геномов

В современных цитогенетических исследованиях важную роль играет дифференциальная окраска . Впервые способность хромосом окрашиваться дифференциально (то есть неодинаково по длине) продемонстрировали англичане С. Дарлингтон (C. Darlington ) и Л. Ла Кур (L. La Cour ) в 1938 году. Другой важный метод исследования - это гибридизация in situ , которая позволяет определить положение любого фрагмента ДНК на хромосоме. В основе метода лежит способность нуклеиновых кислот образовывать двуцепочечные молекулы, как ДНК-ДНК, так и РНК-ДНК. Придумали этот метод в 1969 году Д. Голл (J. Gall ) и М. Пардью (M. Pardue ) из США и Х. Джон (H. John ), М. Бирнстил (M. Birnstiel ) и К. Джонс (K. Jones ) из Великобритании .

Комбинация этих методов дает возможность подробно исследовать эволюцию хромосом и геномов*, а неизменным спутником эволюционного процесса являются хромосомные перестройки . По мере эволюции вида в его хромосомах неизбежно возникают перестройки, которые меняют порядок генов по сравнению с предковым видом. Чем дальше виды уходят друг от друга, тем больше хромосомных перестроек их отличает, и тем больше меняется порядок генов. Известны разные типы перестроек: делеции (потеря), дупликации (удвоение) и транслокации (перемещение) участков хромосом, которые обнаружил К. Бриджес в 1916, 1919 и 1923 годах соответственно. Еще один тип - это инверсии (поворот участка хромосомы на 180°), описанные А. Стёртевантом в 1921 году. Кроме того, существует особый тип перестроек, называемый Робертсоновской транслокацией (или центрическим слиянием). Первым ее описал американец У. Робертсон (W. Robertson ) в 1916 году, сравнивая хромосомные наборы близких видов саранчи. Суть этой перестройки сводится к слиянию двух акроцентрических хромосом в одну метацентрическую или субметацентрическую. Существует и обратный процесс - центрическое разделение. В этом случае мета- или субметацентрическая хромосома делится на две акроцентрических.

* - На биомолекуле можно найти внушительную подборку статей, так или иначе затрагивающих эволюцию геномов и изменения генетического кода: «Вирусные геномы в системе эволюции », «Под „генную гармошку“ », «Аллополиплоидия, или как разные геномы научились жить под одной крышей », «Полные геномы галапагосских вьюрков наконец-то раскрыли механизмы их эволюции », «Как составлялся геном эукариот: эндосимбиоз VS. непрерывный горизонтальный перенос »; «Таинственный код нашего генома », «Эволюция генетического кода », «У истоков генетического кода: родственные души », «Такие разные синонимы » и др. - Ред.

Положение хромосом в ядре

В конце XIX века Т. Бовери выдвинул идею о том, что хромосомы в интерфазном ядре не перемешаны случайным образом, а каждая из них занимает свое пространство. В 1909 году для обозначения этого пространства он ввел термин «хромосомная территория ». Первые доказательства существования хромосомных территорий были получены лишь в 1982 году немецким исследователем Т. Кремером (T. Cremer ) с соавторами. Позднее они визуализировали эти территории с помощью флуоресцентных красителей разного цвета. Оказалось, что хромосомы крупного размера с гораздо большей вероятностью можно найти в периферической части ядра, тогда как мелкие сосредоточены в основном в центральной. Кроме этого, на периферии ядра расположены районы хромосом, обедненные генами. Районы же, обогащенные генами, наоборот, расположены ближе к центру ядра.

Состав хромосом. ДНК

Хромосомы представляют собой структуры, состоящие из сложного комплекса ДНК, РНК и белков. Такой комплекс называется хроматином .

ДНК как химическое вещество открыл и выделил в чистом виде молодой швейцарский исследователь Ф. Мишер (F. Miescher ), работая в 1868–1869 годах в университете немецкого города Тюбингена. Он изучал химический состав лейкоцитов, источником которых служил гной с бинтов из местной хирургической клиники. Ф. Мишер разработал метод разделения ядер и цитоплазмы клеток и анализировал состав ядер. Помимо белков и липидов он обнаружил вещество, которое назвал нуклеином (от слова nucleus - ядро), а сейчас оно известно как ДНК. То, что именно ДНК является носителем наследственной информации, первыми установили в 1944 году американцы О. Эйвери (O. Avery ), К. МакЛауд (C. MacLeod ) и М. МакКарти (M. McCarty ) в экспериментах по заражению мышей пневмококками.

Структуру молекулы ДНК в виде двойной спирали расшифровали в 1953 году Ф. Крик (F. Crick ), Д. Уотсон (J. Watson ), М. Уилкинс (M. Wilkins ) и Р. Франклин (R. Franklin ), работавшие в Великобритании. За это открытие первые три исследователя получили Нобелевскую премию в 1962 году (историю открытия увлекательно описал в книге «Двойная спираль » Джеймс Уотсон, очень рекомендуем - Ред. ). Среди лауреатов нет Розалинды Франклин, поскольку она умерла от рака за четыре года до этого. Известно, что молекула ДНК состоит из последовательности четырех типов нуклеотидов : аденина, тимина, гуанина и цитозина*. За разработку метода определения их последовательности (секвенирования ) в 1980 году Нобелевской премии были удостоены П. Берг (P. Berg , США), У. Гилберт (W. Gilbert , США) и Ф. Сэнгер (F. Sanger , Великобритания).

* - Помимо четырех «классических» нуклеотидов в ДНК находят и их эпигенетически модифицированные варианты: метилцитозин и метиладенин («Шестое ДНК-основание: от открытия до признания »). А для некоторых бактериофагов Bacillus subtilis описано включение в ДНК «РНК-ового» урацила - Ред .

Если вначале секвенирование было трудоемким процессом, который позволял за раз «прочитать» лишь небольшой фрагмент, то по мере развития технологии стало возможным определить, например, полную последовательность митохондриальной ДНК человека (1981 год). В 1990 году был запущен амбициозный проект с целью полного секвенирования человеческого генома, а первый результат был представлен в 2001 году (биомолекула: «Геном человека: как это было и как это будет »). При этом секвенирование одного генома обошлось в колоссальную сумму - сотни миллионов долларов. Но технологии не стоят на месте, и появление новых методов позволило снизить затраты в тысячи раз*. Теперь секвенирование целого генома стало рядовым событием, и в 2009 году был запущен проект «Genome 10K». Его цель - это секвенирование и полная «сборка» в хромосомы 10 тысяч геномов животных.

* - «Закон» Мура прямо таки обречен на достижение конечных точек в разных науках (куда только его удалось притянуть). Биология даже обогнала электронику: постепенное падение стоимости секвенирования в 2007-м ушло в крутое пике, приближая эру рутинного чтения геномов в сельских фельдшерских пунктах по полисам ОМС. Правда, в обозримой перспективе всё же придется раскошелиться - долларов на 1000 плюс транспортные расходы: «Технология: 1,000 $ за геном ». Но и о таком могли лишь мечтать до появления новых методов секвенирования ДНК: «454-секвенирование (высокопроизводительное пиросеквенирование ДНК) ». И для понимания базовых (на уровне клетки) процессов развития организма и победы над онкозаболеваниями мечтать есть еще о чём: «Секвенирование единичных клеток (версия - Metazoa) » - Ред.

Новые технологии позволили развиться такому направлению, как исследование древней ДНК (биомолекула: «Древняя ДНК: Привет из прошлого »). Стало возможным выделять ДНК из костей возрастом десятки тысяч лет, и в 2008 году, например, был секвенирован митохондриальный геном неандертальца. Исследование древней ДНК, да и всю современную молекулярную биологию невозможно представить без использования ПЦР - полимеразной цепной реакции . За ее открытие американец К. Муллис (K. Mullis ) получил в 1993 году Нобелевскую премию .

Состав хромосом. Белки́

ДНК в хромосомах претерпевает несколько последовательных уровней упаковки, и на самом первом уровне двойная спираль ДНК оборачивается вокруг белковой глобулы, образуя нуклеосому (биомолекула: «Катится, катится к ДНК гистон »). В состав глобулы входят четыре типа белков, называемых гистонами . В 1982 году английский молекулярный биолог А. Клюг (A. Klug ) получил Нобелевскую премию за расшифровку трехмерной структуры нуклеосом. Косвенно нуклеосомы отмечены еще одной Нобелевской премией - в 1910 году ее получил немецкий биохимик А. Коссель (A. Kossel ) за изучение химического состава веществ, образующих ядро клетки, и в том числе за открытие гистонов.

C-концевые части молекул гистонов плотно свернуты, а N-концевые не имеют определенной структуры и свободно расходятся в стороны. В 1963–1964 годах было обнаружено, что некоторые аминокислотные остатки в гистонах могут быть ковалентно модифицированы, то есть ацетилированы или метилированы. Сейчас список модификаций значительно расширился, к остаткам аминокислот могут быть присоединены как относительно простые группы - метильная, ацетильная, фосфатная, - так и сложные крупные молекулы: биотин, олигопептиды или цепочки ADP-рибозы. Модификации появляются в основном на N- и, в гораздо меньшей степени, на С-концевой частях молекул гистонов.

Согласно теории гистонового кода , модификации, которые присутствуют на нуклеосомах в данном участке хроматина, не случайны, а «кодируют» какой-либо процесс. Такую точку зрения сформулировали в 2000–2001 годах Б. Штраль (B. Strahl , США), С. Эллис (C. Allis , США) и Т. Йенувайн (T. Jenuwein , Австрия). Схематично процесс работы гистонового кода можно составить из трех этапов. На первом этапе работают ферменты, которые производят модификацию определенных остатков в гистонах. На втором этапе с модифицированными аминокислотами связываются белки, имеющие для этой цели специальные домены. Каждый из доменов подходит только к «своей» модификации. На последнем же этапе эти связавшиеся белки привлекают другие белковые комплексы, запуская тем самым какой-то процесс.

* - О блестящих перспективах и отрезвляющих сомнениях в области применения ИПСК: «Французским исследователям удалось омолодить клетки столетних людей », «Снежный ком проблем с плюрипотентностью ». - Ред.

Гетерохроматин

Одним из объектов исследования многообразных эпигенетических процессов является гетерохроматин . Его как более темные участки хромосом открыл в 1907 году немецкий цитолог С. Гутхерц (S. Gutherz ), а термины «гетерохроматин» и «эухроматин» ввел в 1928 году другой немецкий цитолог Э. Хайц (E. Heitz ). Если совсем кратко, то эухроматин - это части хромосом, в которых расположено подавляющее большинство генов, тогда как гетерохроматин - это в основном районы с некодирующей ДНК, состоящей из коротких многократно повторенных последовательностей. Кроме этого, эу- и гетерохроматин различаются временем репликации в течение S-фазы клеточного цикла. Первым это отличие описал в 1959 году А. Лима-де-Фария (A. Lima-de-Faria , США), исследуя процесс репликации ДНК в семенниках у саранчи Melanoplus differentialis . Он показал, что гетерохроматин и начинает, и заканчивает репликацию своей ДНК позже эухроматина.

Важным свойством гетерохроматина является способность инактивировать помещенные в него эухроматиновые гены. Это явление называется эффектом положения мозаичного типа . Оно было обнаружено в 1930 году Г. Мёллером у дрозофилы. В результате хромосомной перестройки ген white попал в гетерохроматин. Этот ген отвечает за красный цвет глаз, а если он не работает, то глаза становятся белыми. У Г. Мёллера же получились мухи, глаза которых были ни красными, ни белыми, а пятнистыми, и у разных мух пятна были разной формы и размера. Это объясняется тем, что сам ген остается неповрежденным, а лишь случайным образом инактивируется в одних клетках глаза и работает в других.

Несмотря на многолетние исследования, процесс формирования гетерохроматина во многом до сих пор не ясен, особенно его самый первый этап. Предполагают, что ключевую роль в нём играет процесс, схожий с интерференцией РНК (биомолекула: «Обо всех РНК на свете, больших и малых »). За открытие этого явления два американца Э. Файр (A. Fire ) и К. Мелло (C. Mello ) получили Нобелевскую премию в 2006 году. Процесс интерференции сложен и многостадиен, но если не вдаваться в детали, то введение в клетку двухцепочечной РНК, гомологичной какому-либо гену, приводит к инактивации этого гена.

Теломеры

Интенсивное исследование теломер началось после того, как в 1978 году американцы Э. Блэкберн (E. Blackburn ) и Д. Голл секвенировали теломеру у инфузории Tetrahymena thermophila . Оказалось, что теломеры содержат последовательность из шести нуклеотидов, повторенную от 20 до 70 раз. В 1985 году К. Грейдер (C. Greider ) и Э. Блэкберн всё у той же инфузории открыли фермент, названный теломеразой , задачей которого является достраивание теломер. В 2009 году Э. Блэкберн , К. Грейдер и Д. Шостак (J. Szostak , США) получили Нобелевскую премию за исследование теломер и открытие фермента теломеразы (биомолекула: «„Нестареющая“ Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе », «Старение - плата за подавление раковых опухолей? »).

Дозовая компенсация

Огромное число видов живых организмов, и человек в их числе, имеет негомологичные половые хромосомы, например, X и Y. При этом возникает необходимость в процессе, который называется дозовой компенсацией . Суть его заключается в следующем: поскольку число аутосом одинаково и у самцов, и у самок, то число аутосомных генов, а следовательно, и количество их продуктов, также будет одинаковым. А вот количество продуктов, синтезированных с генов, расположенных в половой хромосоме, у одного пола будет в 2 раза больше, чем у другого. Получается диспропорция, которую надо как-то регулировать, то есть уравнять «дозу генов». Решить эту проблему призвана система дозовой компенсации (биомолекула: «, США) выдвинули гипотезу, согласно которой у самок млекопитающих одна из двух X-хромосом инактивируется, и выбор ее случаен. Таким способом система дозовой компенсации млекопитающих уравнивает число работающих X-хромосом у разных полов: у самцов Х-хромосома всего одна, а у самок из двух только одна работает.

У дрозофилы природа изобрела другой механизм, противоположный по сути механизму млекопитающих: единственная X-хромосома самцов гиперактивируется и работает как две X-хромосомы самок. То, что суммарная активность двух копий какого-либо гена из X-хромосомы у самок и одной копии у самцов дрозофилы одинакова, было обнаружено еще на заре развития генетики. Это сделали К. Штерн в 1929 году и Г. Мёллер в 1931 году, так что дрозофила - это первый организм, у которого нашли дозовую компенсацию.

Ну и наконец...

Пара слов об открытии, которое не связано напрямую с хромосомами, но его очень активно используют, в том числе и для исследования разных сторон жизни хромосом. В 2008 году О. Шимомура (O. Shimomura ), М. Чалфи (M. Chalfie ) и Р. Циен (R. Tsien ) из США получили Нобелевскую премию за открытие, выделение и применение зеленого флуоресцирующего белка (GFP) медузы Aequorea victoria . С помощью молекулярных манипуляций можно соединить ген белка GFP с геном любого другого белка и получить химерный белок, который будет выполнять как свою исходную функцию, так и светиться зеленым цветом. Это дает возможность видеть, в каких клетках работает белок, в ядре или цитоплазме, в каких частях хромосом. Кроме зеленого (GFP) сейчас известны красный (RFP) и желтый (YFP) флуоресцирующие белки*.

* - О многообразии флуоресцентных белков и их применении в биологических исследованиях рассказывают материалы: «Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии », «Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали! », «„Нарисуем“ живую клетку ». А о биолюминесценции у наземных и морских организмов и работе люциферин-люциферазной системы - статьи: «Биолюминесценция: возрождение », «Микроскопическое свечение космического масштаба ». - Ред.

Создателем хромосомной теории (ХТ) является учёный Томас Морган. ХТ является результатом изучения наследственности на клеточном уровне.

Суть хромосомной теории :

Материальными носителями наследственности являются хромосомы.

Основными доказательством этому является:

Цитогенетический параллелизм

Хромосомное определение пола

Сцепленное с полом наследование

Сцепление генов и кроссинговер

Основные положения хросомной теории:

Наследственные задатки (гены) локализованы в хромосомах.

Гены расположены в хромосоме в линейном порядке.

Каждый ген занимает определенный участок (локус). Аллельные гены занимают аналогичные локусы в гомологичных хромосомах.

Гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, сцеплено (Закон Моргана) и образуют группу сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом (n).

Между гомологичными хромосомами возможен обмен участками, или рекомбинация.

Расстояние между генами измеряются в процентах кроссинговера – морганидах.

Частота кроссинговера обратно пропорциональна расстоянию между генами, а сила сцепления между генами обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Цитогенетический параллелизм

Дипломником Моргана Сюттоном было замечено что поведение генов по Менделю, совпадает с поведение хромосом: (ТАБЛИЦА – цитогенетический паралелизм)

Каждый организм несёт 2-а наследственных задатка, в гамету входит только 1- ин наследственный задаток из пары. При оплодотворении в зиготе и далее в организме опять 2-а наследственных задатка по каждому признаку.

Точно так же ведут себя и хромосомы, что можно предположить что гены лежат в хромосомах и наследуются вместе с ними.

Хромосомное определение пола

В 1917 году Алленом было показано что мужские и женские особи у мхов отличаются по набору хромосом. В клетках диплоидной ткани мужского организма половые хромосомы XиY, в женскомXиX. Таким образом Хромосомы определяют такой признак как пол, а следовательно могут быть материальными носителями наследственности. Позже хромосомное определение пола было показано и для других организмов, в том числе и для человека.(ТАБЛИЦА)

Сцепленное с полом наследование

Поскольку половые хромосомы различны у мужских и женских организмов, признаки, гены которых, расположены в Х или Yхромосомах, будут наследовать по-разному. Такие признаки называютсясцепленными с полом признаками .

Особенности наследования сцепленных с полом признаков

Не соблюдается 1 закон Менделя

Реципрокные скрещивания дают разный результат

Имеет место крисс-кросс (или наследование крест-накрест).

Впервые наследование связанное с признаком было обнаружено Морганом у дрозофилы.

W + -красные глаза		(C) X W+ X W+ * X w Y			(C) X w X w * X W+ Y
w – белые глаза
		(CЖ)X W + X w – Красные глаза			X w X W + - Красные глаза
		(CМ)X W + Y– Красные глаза			X w Y– Белые глаза
Таким образом наследование выявленной Морганом мутация – “белые глаза” - white, характеризовалась перечисленными выше особенностями: Закон единообразия несоблюдался В 2-ух реципрокных скрещиваниях получено разное потомство Во втором скрещивании сыновья получают признак матери (белые глаза), дочери – признак отца (красные глаза). Такое наследование и называется «наследование крисс-кросс»

(ТАБЛИЦА сцепленное с полом наследование )

Сцепленное с полом наследование объясняется отсутствием в Yхромосоме генов, аллельных генамXхромосоме.Yхромосома намного меньше Х хромосомы, в ней, в настоящее время, локализовано 78(?) генов, в то время как вXхромосоме их более 1098.

Примеры сцепленных с полом наследований:

Гемофилия, дистрофия Дюшенна, синдром Данкана, синдром Альпорта, и др.

Есть гены, которые наоборот содержатся в Yхромосоме и отсутствуют вXхромосоме, они, следовательно, встречаются только в мужских организмах, и никогда в женских (голандрическое наследование) и передаются только сыновьям от отца.

Сцепление генов и кроссинговер

В генетике было известно такое явления как «притяжение генов»: некоторые неаллельные признаки наследовались не независимо, как должны по IIIзакону Менделя, а наследовались вместе, не давали новых комбинаций. Морган объяснил это тем, что эти гены находятся в одной хромосоме, поэтому они расходятся в дочерние клетки вместе одной группой, как бы сцеплено. Он назвал это явление –сцепленным наследованием .

Закон сцепления Моргана:

Гены расположенные в одной хромосоме наследуются совместно, сцеплено.

Гены расположенные в одной хромосоме образуют группу сцепления. Число групп сцепления равно «n» - гаплоидному числу хромосом.

Скрещивали гомозиготные линии мух с серым цветом тела и длинными крыльями и мух, имеющих чёрное тело и короткие крылья. Гены цвета тела и длинны крыльев – сцеплены, т.е. лежат в одной хромосоме.

А- серое тело а- чёрное тело B- нормальные крылья (длинные) b- зачаточные крылья			(С Ж) AABBxaabb(CМ)
			Серые длиннокрылые		Чёрные короткокрылые
		Запись в хромосомном выражении
			Серое тело Длинные крылья			Чёрное тело Короткое тело
			Все мухи имеют серое тело и длинные крылья
Т.е. в этом случае закон единообразия гибридов Iпоколения соблюдается. Однако вF 2 вместо ожидаемого расщепления 9:3:3:1 получилось отношение на 3 серых длиннокрылых на 1 часть чёрных короткокрылых, т.е. новых сочетаний признаков не появлялось. Морган предположил что дегетерозиготыF 2 - ()продуцируют (дают) гаметы не 4, а только 2 типов -и. Проведенные анализирующие скрещивания это подтвердило:
	Серое тело Длинные крылья			Чёрное тело Короткое тело
F a
	Серое тело Длинные крылья			Чёрное тело Короткие крылья

В результате в F 2 расщепление идёт как при моногибридном скрещивании 3:1.

	Серое тело Длинные крылья	Серое тело Длинные крылья	Серое тело Длинные крылья	Чёрное тело Короткие крылья

Кроссинговер.

В небольшом проценте случаев в F 2 в опытах Моргана появлялись мухи с новыми сочетаниями признаков: крылья длинные, тело черное; крылья короткие, а тело серое. Т.е. признаки «расцепились». Морган объяснил это тем, что хромосомы во время конъюгации в мейозе обмениваются генами. В результате получаются особи с новыми сочетаниями признаков, т.е. как и положено по третьему закону Менделя. Морган назвал этот обмен генами рекомбинацией.

Позже цитологи действительно подтвердили гипотезу Моргана, обнаружив обмен участками хромосом у кукурузы и у саламандры. Они назвали этот процесс кроссинговер.

Кроссинговер увеличивает разнообразие потомства в популяции.

Развитие естественных наук, в частности цитологии, и появление более мощных микроскопов способствовали изучению генетики. Вопросами наследования занимались многие учёные с конца XIX века. В начале ХХ века Томас Морган, опираясь на данные исследователей, сформулировал основные положения хромосомной теории наследственности.

История

Автором хромосомной теории считается Томас Морган - американский биолог, лауреат Нобелевской премии. Именно он изучил и описал механизм сцепленного наследования, а также сформулировал основные положения теории хромосомной наследственности. Однако Морган опирался на работы своих предшественников - биологов, генетиков, физиологов.

Рис. 1. Томас Морган.

Краткая история становления теории Моргана описана в таблице.

Год	Учёный	Что сделал
	Иван Чистяков	Наблюдал распределение генетического материала между ядрами растительной клетки
	Оскар Гертвиг	Наблюдал слияния гамет у иглокожих. Сделал вывод, что ядро несёт наследственную информацию
	Эдуард Страсбургер	Наблюдал деление ядер у растений. Сравнил растительные и животные клетки. Сделал вывод, что деление во всех клетках происходит одинаково. Позже ввёл многие термины генетики (гамета, мейоз, гаплоидный и диплоидный набор хромосом, полиплоидия)
	Эдуард ван Бенеден	Наблюдал мейоз. Выявил, что часть наследственной информации достаётся от отца, часть - от матери
	Генрих Вальдейер	Ввёл термин «хромосома». До него использовались термины «хроматиновый сегмент» и «хроматиновый элемент»
	Теодор Бовери и Уильям Сеттон	Независимо друг от друга выявили взаимосвязь наследственных факторов по Менделю и хромосом. Эти факторы в дальнейшем были названы генами. Сделали вывод, что гены находятся в хромосомах
		Опубликовал выводы многолетней работы. Вместе со своими коллегами и учениками - Кэлвином Бриджесом, Альфредом Стёртевантом, Германом Мёллером - сформулировал теорию хромосомного наследования. С 1909 года проводили эксперименты с фруктовой дрозофилой и выявили механизмы сцепленного наследования и способ их нарушения - кроссинговер

В 1933 году Томасу Моргану была присуждена Нобелевская премия за вклад в физиологию и медицину. Решением для премии стала его работа о роли хромосом в процессах наследования.

Положения

Многие исследователи независимо друг от друга приходили к одинаковым выводам. К первому десятилетию ХХ века было известно о роли хромосом в наследовании, был введён в употребление термин «ген», были выявлены половые хромосомы и способы передачи наследственной информации. Знаковой работой стало исследование под руководством Моргана. Благодаря наблюдениям за поколениями фруктовой дрозофилы и на основе накопленных знаний были сформулированы основные положения хромосомной теории наследственности Моргана:

• гены, отвечающие за наследование признаков, расположены в хромосомах;
• гены располагаются линейно, каждый ген имеет своё место в хромосоме - локус;
• набор генов в каждой хромосоме уникален;
• расположенные близко друг к другу группы генов наследуются сцеплено;
• число сцепленных генов равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида (у человека 23 пары хромосом, следовательно, 23 пары сцепленных генов);
• сцепление хромосом нарушается в ходе кроссинговера (перекрёста) - процесса обмена участками хромосом в профазе I мейоза;
• чем дальше друг от друга находятся сцепленные группы генов в хромосоме, тем больше вероятность кроссинговера.

Рис. 2. Сцепленное наследование.

Эксперименты Моргана показали, что гены, находящиеся в одной хромосоме, наследуются сцеплено, попадая в одну гамету, т.е. два признака всегда наследуются вместе. Такое явление было названо законом Моргана.

Рис. 3. Кроссинговер.

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

Что мы узнали?

Рассказали кратко и понятно о хромосомной теории наследственности. Работа Моргана и его коллег помогла переосмыслить и дополнить законы Менделя. Было выявлено, что некоторые признаки наследуются сцеплено, т.к. гены, отвечающие за разные признаки, находятся близко друг к другу на одном участке хромосом. Расхождение сцепленных генов возможно только при кроссинговере - перекрёсте гомологичных хромосом.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2 . Всего получено оценок: 74.

Глава 13. Генетика. Зарождение хромосомной теории наследственности. (В. Н. Сойфер)

Генетика - наука о наследственности и ее изменчивости - получила развитие в начале XX в., после того как исследователи обратили внимание на законы Г. Менделя, открытые в 1865 г., но остававшиеся без внимания в течение 35 лет. В короткий срок генетика выросла в разветвленную биологическую науку с широким кругом экспериментальных методов и направлений. Ее бурное развитие было обусловлено как запросами сельского хозяйства, нуждавшегося в детальной разработке проблем наследственности у растений и животных, так и успехами биологических дисциплин, таких, как морфология, эмбриология, цитология, физиология и биохимия, подготовивших почву для углубленного изучения законов наследственности и материальных носителей наследственных факторов. Название генетика было предложено для новой науки английским ученым У. Бэтсоном в 1906 г.

Опыты по гибридизации растений. Накопление сведений о наследуемых признаках

Попытки понять природу передачи признаков по наследству от родителей детям предпринимались еще в древности. Размышления на эту тему встречаются в сочинениях Гиппократа, Аристотеля и других мыслителей. В XVII - XVIII вв., когда биологи начали разбираться в процессе оплодотворения и искать, с каким началом - мужским или женским - связана тайна оплодотворения, споры о природе наследственности возобновились с новой силой. Знаменитая борьба преформистов ("анималькулистов" и "овистов") немало способствовала выяснению природы этого процесса у животных. У растений половая дифференциация была открыта Р. Я. Каммерариусом (1694), обнаружившим в опытах со шпинатом, коноплей и кукурузой, что для завязывания плодов необходимо опыление.

Тем самым к концу XVII в. была подготовлена научная почва для начала опытов по гибридизации растений. Первые успехи в этом направлении были достигнуты в начале XVIII в. Полагают, что первый межвидовой гибрид получил англичанин Т. Фэйрчайлд при скрещивании гвоздик Dianthus barbatus и D. caryophyllus. С получением других гибридов практика гибридизации стала расширяться, но ботаники еще продолжали считать спорным вопрос о наличии двух полов у растений и их участии в оплодотворении. В 1759 г. Петербургская Академия наук для выяснения этого вопроса объявила даже специальный конкурс. Премии за работу "Исследование пола у растений" ("Disquisitio de sexu plantarum") был удостоен в 1760 г. К. Линней, получивший межвидовой гибрид козлобородников (Tragopogon), легко дающих помеси в естественных условиях. Однако сути гибридизации и роли пыльцы в скрещивании Линней не понял. Научно обоснованное решение этого вопроса было достигнуто в опытах члена Российской Академии наук И. Г. Кельрейтера.

В 1760 г. Кельрейтер начал первые тщательно продуманные опыты по изучению передачи признаков при скрещивании растений. В 1761 - 1766 гг., почти за четверть века до Л. Спалланцани, изучавшего проблему скрещивания на животных объектах, Кельрейтер в опытах с табаком, дурманом и гвоздиками показал, что после переноса пыльцы одного растения на пестик другого отличающегося по своим морфологическим признакам растения образуются завязи и семена, дающие растения со свойствами, промежуточными по отношению к обоим родителям. В результате Кельрейтер пришел к выводу фундаментальной важности: в формировании потомства и передаче признаков, прослеживаемых у потомков, принимают участие оба родительских организма. Кельрейтер ввел также метод обратных скрещиваний с одним из исходных родителей, благодаря чему ему удалось доказать наследование признаков и равноправие мужских и женских элементов в формировании дочерних особей. Точный метод скрещивания, разработанный Кельрейтером, обусловил быстрый прогресс в изучении наследственной передачи признаков.

В конце XVIII - начале XIX в. английский селекционер-растениевод Т. Э. Найт, проводя скрещивания различных сортов, столкнулся с проблемой сочетания признаков родителей у потомков. Подбирая разные пары для скрещиваний, он обнаружил, что каждый сорт характеризуется комплексом присущих ему мелких признаков. Число признаков, которыми два сорта отличаются друг от друга, тем больше, чем меньше степень их родства. Важным выводом Найта явилось обнаружение неделимости мелких признаков при различных скрещиваниях. Дискретность наследственного материала, провозглашенная еще в древности, получила в его исследованиях первое научное обоснование. Найту принадлежит заслуга открытия "элементарных наследственных признаков".

Дальнейшие существенные успехи в развитии метода скрещиваний связаны с французской школой селекционеров, особенно с ее наиболее яркими представителями - О. Сажрэ и Ш. Нодэном. Интересы обоих ученых формировались под непосредственным влиянием Кельрейтера и Найта. Они сделали шаг вперед в отношении подбора объектов исследований, целиком перейдя к опытам с относительно быстро развивающимися растениями (овощными культурами), вегетационный цикл которых ограничивается несколькими месяцами. Излюбленными объектами Сажрэ и Нодэна стали представители семейства тыквенных.

Крупнейшим достижением Сажрэ явилось обнаружение феномена доминантности. При скрещивании сортов, различающихся наследственными задатками, он нередко наблюдал подавление признака одного родителя признаком другого. Это явление в максимальной степени проявлялось в первом поколении после скрещивания, а затем подавленные признаки снова выявлялись у части потомков следующих поколений. Тем самым Сажрэ подтвердил, что элементарные наследственные признаки при скрещиваниях не исчезают. К этому же выводу вполне самостоятельно пришел и Нодэн в 1852 - 1869 гг. Но Нодэн пошел еще дальше, приступив к количественному изучению перекомбинации наследственных задатков при скрещиваниях. Видимо, он сознавал, что именно количественное описание результатов скрещиваний может дать в руки исследователей ту нить, которая позволит разобраться в сути процессов, развертывающихся при гибридизации. Однако на этом пути Нодэна ждало разочарование. Неверный методический прием - одновременное изучение большого количества признаков - привел к такой путанице в результатах, что он вынужден был отказаться от своей попытки. Немалую долю неопределенности в трактовку полученных результатов внесли и объекты, использовавшиеся Нодэном: он еще не смог уяснить роль самоопылителей в проведении таких опытов. Недостатки, присущие опытам Нодэна и его предшественников, были устранены в работе Г. Менделя.

Развитие практики гибридизации повело к дальнейшему накоплению сведений о природе скрещиваний. Важные наблюдения о сочетаниях признаков при скрещиваниях стали накапливаться в результате деятельности садоводов и ботаников. Практика требовала решения вопроса о сохранении неизменными свойств "хороших" растений, а также выяснения способов сочетания в одном растении нужных признаков, присущих нескольким родителям. Сходные задачи ставились и животноводами, но неизменно повисали в воздухе, поскольку упирались в незнание законов передачи наследственных признаков. Экспериментально решить эту проблему не представлялось еще возможным. В таких условиях возникли различные умозрительные гипотезы о природе наследственности.

Умозрительные гипотезы о природе наследственности

Наиболее фундаментальной гипотезой такого рода, послужившей в известной мере образцом для аналогичных построений других биологов, явилась "временная гипотеза пангенезиса" Ч. Дарвина, изложенная в последней главе его труда "Изменение домашних животных и культурных растений" (1868). Здесь Дарвин обобщил всю литературу о скрещиваниях и о явлениях наследственности * .

* (Несколько ранее анализ явлений наследственности у человека был сделан П. Люком в его обширной монографии "Traite philosophique et physiologique de l"heredite naturelle" (1847-1850). )

Согласно его представлениям, в каждой клетке любого организма образуются в большом числе особые частицы - геммулы, которые обладают способностью распространяться по организму и собираться (концентрироваться) в клетках, служащих для полового или вегетативного размножения (яйцеклетки, сперматозоиды, почки растений). При оплодотворении геммулы двух половых клеток сливаются, образуя зиготу. Часть геммул дает затем начало новым клеткам (подобным тем, из которых они сформировались), а часть сохраняется в недеятельном состоянии и может быть передана следующим поколениям. Дарвин допускал, что геммулы отдельных клеток могут изменяться в ходе онтогенеза каждого индивидуума и давать начало измененным потомкам. Тем самым он присоединился к сторонникам наследования приобретенных признаков. Кроме того, он считал, что поскольку комплекс наследственных признаков слагается из дискретных факторов наследственности (геммул), то, следовательно, организм не порождает себе подобного в целом, но каждая отдельная единица порождает себе подобную" * .

* (Ч. Дарвин. Соч., т. 4. M., Изд-во АН СССР, 1951, стр. 758. )

Предположение Дарвина о наследовании приобретенных признаков было экспериментально опровергнуто Ф. Гальтоном (1871). Предприняв переливание крови от черных кроликов белым. Гальтон не обнаружил никакого изменения признаков у потомков. На этом основании он спорил с Дарвином, утверждая, что геммулы сосредоточены только в половых клетках растений и животных и почках вегетативно размножающихся растений и что перетекания геммул от вегетативных частей к генеративным не происходит. Гальтон прибегал при этом к аналогии, сравнивая генеративные органы с корневищем некоторых растений, каждый год дающим новые зеленые побеги, откуда его гипотеза получила название "гипотезы корневища".

Умозрительная гипотеза о природе наследственности была предложена ботаником К. Нэгели в работе "Механико-физиологическая теория эволюции" (1884). Нэгели, задумавшись над противоречием между равным вкладом отца и матери в формирование потомства и существенно различным размером сперматозоидов и яйцеклеток, высказал предположение, что наследственные задатки передаются лишь частью вещества клетки, названного им идиоплазмой. Остальная часть (стереоплазма), согласно его представлению, наследственных признаков не несет. Нэгели высказал также предположение, что идиоплазма состоит из молекул, соединенных друг с другом в крупные нитевидные структуры - мицеллы, группирующиеся в пучки и образующие сеть, пронизывающую все клетки организма. Автор не знал фактов, подтверждающих его модель. В эти годы еще не было привлечено внимание к хромосомам как носителям наследственной информации, и гипотеза Нэгели оказалась в известном смысле пророческой. Она подготовляла биологов к мысли о структурированности материальных носителей наследственности. Известностью пользовалась также гипотеза внутриклеточного пангенезиса Г. де Фриза.

Впервые идея о дифференцирующих (неравнонаследственных) делениях ядер клеток развивающегося зародыша была высказана В. Ру в 1883 г. Выводы Ру оказали большое влияние на А. Вейсмана. Они послужили ему отправной точкой для создания теории зародышевой плазмы, получившей окончательное оформление в 1892 г. Вейсман четко указал на носителя наследственных факторов - хромосомы. Он полагал, что в ядрах клеток существуют особые частицы зародышевой плазмы - биофоры, каждая из которых определяет отдельное свойство клеток. Биофоры, согласно Вейсману, группируются в детерминанты - частицы, определяющие специализацию клетки. Поскольку в организме много различных типов клеток, то детерминанты одного типа группируются в структуры более высокого порядка (иды), а последние формируют хромосомы (или иданты, по терминологии Вейсмана).

Сначала Ру (1883), а затем Вейсман высказали предположение о линейном расположении в хромосомах наследственных факторов (хроматиновых зерен, по Ру, и ид, по Вейсману) и их продольном расщеплении во время митоза, чем во многом предвосхитили будущую хромосомную теорию наследственности.

Развивая идею о неравнонаследственном делении, Вейсман логично пришел к выводу о существовании в организме двух четко разграниченных клеточных линий - зародышевых (клеток зачаткового пути) и соматических. Первые, обеспечивая непрерывность передачи наследственной информации, "потенциально бессмертны" и способны дать начало новому организму. Вторые этим свойством не обладают. Выделение двух категорий клеток имело большое положительное значение для последующего развития генетики. Оно, в частности, было началом теоретического опровержения идеи о наследовании приобретенных признаков. Вместе с тем теория наследственности Вейсмана содержала и ошибочное допущение, будто полный набор детерминант содержится только в половых клетках.

Работы указанных биологов сыграли выдающуюся роль в подготовке научной мысли к формированию генетики как науки. К концу XIX в. благодаря работам цитологов, открывших хромосомы, изучивших митотическое (И. Д. Чистяков, 1872; А. Шнейдер, 1873; Э. Страсбургер, 1875; Шлейхер, 1878; В. Флемминг, 1892; и др.) и мейотическое (Э. ван Бенеден, 1883; Т. Бовери, О. Гертвиг, 1884) деление ядра, была подготовлена почва для понимания перераспределения наследственного материала по дочерним клеткам в ходе их деления. В. Вальдейер в 1888 г. предложил термин хромосома. Был обстоятельно изучен процесс оплодотворения у животных и растений (О. Гертвиг, 1876; Н. Н. Горожанкин, 1880; Э. Страсбургер, 1884; и др.). Работы ботаников и животноводов подготовили почву для быстрого признания законов Г. Менделя после их переоткрытия в 1900 г.

Открытие Г. Менделем законов наследования

Честь открытия количественных закономерностей, сопровождающих формирование гибридов, принадлежит чешскому ботанику-любителю Иоганну Грегору Менделю. В его работах, выполнявшихся в период с 1856 по 1863 г., были раскрыты основы законов наследственности.

Мендель следующим образом формулировал задачу своего исследования. "До сих пор,- отмечал он во "Вступительных замечаниях" к своей работе,- не удалось установить всеобщего закона образования и развития гибридов" и продолжал: "Окончательное решение этого вопроса может быть достигнуто только тогда, когда будут произведены детальные опыты в различнейших растительных семействах. Кто пересмотрит работы в этой области, тот убедится, что среди многочисленных опытов ни один не был произведен в том объеме и таким образом, чтобы можно было определить число различных форм, в которых появляются потомки гибридов, с достоверностью распределить эти формы по отдельным поколениям и установить их взаимные численные отношения" * .

* (Г. Мендель. Опыты над растительными гибридами. М., "Наука", 1965, стр. 9 - 10. )

Первое, на что Мендель обратил внимание,- это выбор объекта. Для своих исследований Мендель избрал горох Pisum sativum L. Основанием для такого выбора послужило, во-первых, то, что горох - строгий самоопылитель, и это резко снижало возможность заноса нежелательной посторонней пыльцы; во-вторых, в то время имелось достаточное число сортов гороха, различавшихся по одному, двум, трем и четырем наследуемым признакам.

Мендель получил от различных семеноводческих ферм 34 сорта гороха. В течение двух лет он проверял, не засорены ли полученные сорта, сохраняют ли они свои признаки неизменными при размножении без скрещиваний. После такого рода проверки он отобрал для экспериментов 22 сорта.

Едва ли не самым существенным во всей работе было определение числа признаков, по которым должны различаться скрещиваемые растения. Мендель впервые осознал, что, только начав с самого простого случая - различия родителей по одному-единственному признаку - и постепенно усложняя задачу, можно надеяться распутать клубок фактов. Строгая математичность его мышления выявилась здесь с особенной силой. Именно такой подход к постановке опытов позволил Менделю четко планировать дальнейшее усложнение исходных данных. Он не только точно определял, к какому этапу работы следует перейти, но и математически строго предсказывал будущий результат. В этом отношении Мендель стоял выше всех современных ему биологов, изучавших явления наследственности уже в XX в.

Мендель начал с опытов по скрещиванию сортов гороха, различающихся по одному признаку (моногибридное скрещивание). Во всех без исключения опытах с 7 парами сортов было подтверждено явление доминирования в первом поколении гибридов, обнаруженное Сажрэ и Нодэном. Мендель ввел понятие доминантного и рецессивного признаков, определив доминантными признаки, которые переходят в гибридные растения совершенно неизменными или почти неизменными, а рецессивными те, которые становятся при гибридизации скрытыми. Затем Мендель впервые сумел дать количественную оценку частотам появления рецессивных форм среди общего числа потомков для случаев моно-, ди-, тригибридного и более сложных скрещиваний. Мендель особенно подчеркивал среднестатистический характер открытой им закономерности.

Для дальнейшего анализа наследственной природы полученных гибридов Мендель изучил еще несколько поколений гибридов, скрещиваемых между собой. В результате получили прочное научное обоснование следующие обобщения фундаментальной важности:

1. Явление неравнозначности наследственных элементарных признаков (доминантных и рецессивных), отмеченное Сажрэ и Нодэном.

2. Явление расщепления признаков гибридных организмов в результате их последующих скрещиваний. Были установлены количественные закономерности расщепления.

3. Обнаружение не только количественных закономерностей расщепления по внешним, морфологическим признакам, но и определение соотношения доминантных и рецессивных задатков среди форм, с виду не отличимых от доминантных, но являющихся смешанными (гетерозиготными) по своей природе. Правильность последнего положения Мендель подтвердил, кроме того, путем обратных скрещиваний с родительскими формами.

Таким образом, Мендель вплотную подошел к проблеме соотношения между наследственными задатками (наследственными факторами) и определяемыми ими признаками организма.

Внешний вид организма (фенотип, по терминологии В. Иоганнсена, 1909) зависит от сочетания наследственных задатков (сумма наследственных задатков организма стала, по предложению Иоганнсена, именоваться генотипом, 1909). Этот вывод, с неизбежностью следовавший из экспериментов Менделя, был им подробно рассмотрен в разделе "Зачатковые клетки гибридов" той же работы "Опыты над растительными гибридами". Мендель впервые четко сформулировал понятие дискретного наследственного задатка, не зависящего в своем проявлении от других задатков * . Эти задатки сосредоточены, по мнению Менделя, в зачатковых (яйцевых) и пыльцевых клетках (гаметах). Каждая гамета несет по одному задатку. Во время оплодотворения гаметы сливаются, формируя зиготу; при этом в зависимости от сорта гамет, возникшая из них зигота получит те или иные наследственные задатки. За счет перекомбинации задатков при скрещиваниях образуются зиготы, несущие новое сочетание задатков, чем и обусловливаются различия между индивидуумами. Это положение легло в основу фундаментального закона Менделя - закона чистоты гамет. Его предположение о наличии элементарных наследственных задатков - генов было подтверждено всем последующим развитием генетики и было доказано исследованиями на разных уровнях - организменном (методами скрещиваний), субклеточном (методами цитологии) и молекулярном (физико-химическими методами). По предложению У. Бэтсона (1902), организмы, содержащие одинаковые задатки, стали называть гомозиготными, а содержащие разные задатки соответствующего признака - гетерозиготными по этому признаку.

* (Впоследствии эти задатки В. Иоганнсен (1909) назвал генами. )

Экспериментальные исследования и теоретический анализ результатов скрещиваний, выполненные Менделем, опередили развитие науки более чем на четверть века. О материальных носителях наследственности, механизмах хранения и передачи генетической информации и внутреннем содержании процесса оплодотворения тогда почти ничего еще не было известно. Даже умозрительные гипотезы о природе наследственности, о которых говорилось выше, были сформулированы позже. Этим объясняется то, что работа Менделя не получила в свое время никакого признания и оставалась неизвестной вплоть до вторичного переоткрытия законов Менделя К. Корренсом, К. Чермаком и Г. де Фризом в 1900 г.

Развитие биометрических методов изучения наследственности

Индивидуальные различия даже между близкородственными организмами вовсе не обязательно связаны с различиями в генетической структуре этих особей; они могут быть вызваны неодинаковыми условиями жизни. Поэтому делать заключения о генетических различиях между видами, разновидностями, сортами и линиями можно только на основании анализа большого числа особей. Первым, кто привлек внимание к математическим закономерностям в индивидуальной изменчивости, был бельгийский математик и антрополог А. Кэтлэ. Он явился одним из основателей статистики и теории вероятностей. Кэтлэ обратил особое внимание на изучение отклонений, в ряду сходных индивидуумов от средней количественной характеристики изучаемого признака. Однако в генетическом плане наиболее важным оставался вопрос о возможности передачи по наследству уклонений от средней количественной характеристики признака, наблюдаемых у отдельных индивидуумов. Значимость этого вопроса стала особенно очевидной после создания Дарвином теории естественного отбора. Для чисто практических целей необходимо было выяснить, будут ли и в какой мере наследоваться те индивидуальные изменения, которые наблюдаются часто в селекционной практике у отдельных растений, и можно ли их закрепить в потомстве.

Выяснением этого вопроса занялись несколько исследователей. По своей значимости выделились работы Гальтона, который собрал данные о наследовании роста у человека. Он проанализировал рост 204 семейных пар и 928 их взрослых детей. Затем Гальтон изучил наследование величины венчика цветка у душистого горошка и пришел к выводу, что потомству передается лишь небольшая часть уклонений, наблюдаемых у родителей. Гальтон попытался придать своему наблюдению математическое выражение, положив этим начало большой серии работ по математико-статистическим основам наследования.

Последователь Гальтона К. Пирсон продолжил эту работу в более широких масштабах. Вокруг Пирсона быстро создалась группа исследователей, основавших журнал "Биометрика" (1902).

Рассуждениям английских биометриков о характере смешения признаков родителей при скрещиваниях, подкрепленным математическими выкладками, но не учитывавшим, как правило, биологической сущности явлений наследственности, был нанесен удар вторичным открытием законов Менделя. Наиболее серьезное и ставшее классическим исследование вопросов, поднимавшихся Гальтоном, Пирсоном и их последователями, было выполнено в 1903 - 1909 гг. В. Иоганнсеном, обратившим главное внимание на изучение генетически однородного материала (потомства от близкородственного скрещивания, названного Иоганнсеном чистой линией). Анализ, проведенный Иоганнсеном, позволил ему подойти к истинному пониманию роли наследуемого (генотипического) и ненаследуемого компонентов в индивидуальной изменчивости. Исходя из полученных результатов, Иоганнсен дал точное определение генотипа и фенотипа и заложил основы современного понимания роли индивидуальной изменчивости. Выводы Иоганнсена, полученные в опытах с растениями, вскоре были подтверждены и на зоологическом материале.

Цитологические основы генетики

Предвидения Менделя получили также подтверждение и на совершенно ином уровне исследований. В 70 - 80-х годах XIX в. были описаны митоз и поведение хромосом во время деления клетки, что навело на мысль,. что эти структуры ответственны за передачу наследственных потенций от материнской клетки дочерним. Деление материала хромосом на две равные части как нельзя лучше свидетельствовало в пользу гипотезы, что именно в хромосомах сосредоточена генетическая память. Эта точка зрения еще более упрочилась после описания процессов, предшествующих созреванию половых клеток и оплодотворению (см. главу 26). Изучение хромосом у животных и растений привело к выводу, что каждый-вид живых существ характеризуется строго определенным числом хромосом. Это число стало надежным систематическим признаком.

Открытый Э. ван Бенеденом (1883) факт, что число хромосом в клетках тела (соматических клетках) вдвое больше, чем в половых клетках, можно было легко объяснить простым рассуждением: поскольку при оплодотворении ядра половых клеток сливаются (и, тем самым, в одном ядре объединяются хромосомы этих ядер) и поскольку число хромосом в соматических клетках остается константным, то постоянному удвоению числа хромосом при последовательных оплодотворениях должен противостоять процесс, приводящий к сокращению их числа в гаметах ровно вдвое. Точное описание процесса редукционного деления (мейоза), осуществленное в 90-х годах XIX в., позволило уже в начале XX в. должным образом оценить установленные Менделем закономерности наследственности.

В 1900 г. независимо друг от друга трое ботаников - К. Корренс в Германии, Г. де Фриз в Голландии и Э. Чермак в Австрии обнаружили в своих опытах открытые ранее Менделем закономерности и, натолкнувшись на его работу, вновь опубликовали ее в 1.901 г. Эта публикация вызвала глубокий интерес к количественным закономерностям наследственности. Цитологи обнаружили материальные структуры, роль и поведение которых могли быть однозначно связаны с менделевскими закономерностями. Такую связь усмотрел в 1903 г. В. Сэттон - молодой сотрудник известного американского цитолога Э. Вильсона. Гипотетические представления Менделя о наследственных факторах, о наличии одинарного набора факторов в гаметах и двойного - в зиготах получили обоснование в исследованиях хромосом. Т. Бовери (1902) представил доказательства в пользу участия хромосом в процессах наследственной передачи, показав, что нормальное развитие морского ежа возможно только при наличии всех хромосом.

Установлением того факта, что именно хромосомы несут наследственную информацию, Сэттон и Бовери положили начало новому направлению генетики - хромосомной теории наследственности.

Обоснование хромосомной теории наследственности

Согласно законам Менделя, проявление каждого наследственного фактора не зависит от других факторов. Его анализ моно-, ди- и тригибридного скрещивания экспериментально подтвердил этот вывод.

После переоткрытия менделевских закономерностей развернулось изучение этих закономерностей у всевозможных видов животных и растений. Одна из кажущихся неудач постигла У. Бэтсона и Р. Пеннета, изучавших в 1906 г. наследование окраски венчика и формы пыльцы у душистого горошка. Согласно Менделю, распределение фенотипов при дигибридном скрещивании должно подчиняться отношению 9:3:3:1. Вместо этого Бэтсон и Пеннет зарегистрировали расщепление в отношении 35:3:3:10. Создавалось впечатление, что факторы пурпурной окраски и сморщенной пыльцы имеют тенденцию при перекомбинациях задатков оставаться вместе. Это явление авторы назвали "взаимным притяжением факторов", но природу его им выяснить не удалось.

В 1909 г. к детальному изучению этого вопроса приступил Т. Г. Морган. Прежде всего он четко сформулировал исходную гипотезу. Теперь, когда уже было известно, что наследственные задатки находятся в хромосомах, закономерно было ответить на вопрос, всегда ли будут выполняться численные закономерности, установленные Менделем? Мендель совершенно справедливо считал, что такие закономерности будут верны тогда и только тогда, когда изучаемые факторы будут комбинироваться при образовании зигот независимо друг от друга. Теперь, на основании хромосомной теории наследственности, следовало признать, что это возможно лишь в том случае, когда гены расположены в разных хромосомах. Но так как число последних по сравнению с количеством генов невелико, то следовало ожидать, что гены, расположенные в одной хромосоме, будут переходить из гамет в зиготы совместно. Следовательно, соответствующие признаки будут наследоваться группами.

Проверку этого предположения осуществили Морган и его сотрудники К. Бриджес и А. Стертевант в исследованиях с плодовой мушкой - дрозофилой (Drosophila melanogaster). Выбор этого объекта по многим причинам можно считать крупной удачей. Во-первых, дрозофила имеет весьма небольшой период развития (всего 10 - 12 дней); во-вторых, благодаря высокой плодовитости дает возможность вести работу с громадными популяциями; в-третьих, может легко культивироваться в лабораторных условиях; наконец, у нее имеется всего четыре пары хромосом.

Вскоре у дрозофилы было обнаружено большое количество разнообразных мутаций, т. е. форм, характеризующихся различными наследственными признаками. У нормальных или, как говорят генетики, дрозофил дикого типа цвет тела серовато-желтоватый, крылья серые, глаза темного кирпично-красного цвета, щетинки, покрывающие тело, и жилки на крыльях имеют вполне определенное расположение. У обнаруживавшихся время от времени мутантных мух эти признаки были изменены: тело, например, было черное, глаза белые или иначе окрашенные, крылья зачаточные и т. д. Часть особей несла не одну, а сразу несколько мутаций; например, муха с черным телом могла, кроме того, обладать зачаточными крыльями. Многообразие мутаций позволило Моргану приступить к генетическим опытам. Прежде всего он доказал, что гены, находящиеся в одной хромосоме, передаются при скрещиваниях совместно, т. е. сцеплены друг с другом. Одна группа сцепления генов расположена в одной хромосоме. Веское подтверждение гипотезы о сцеплении генов в хромосомах Морган получил также при изучении так называемого сцепленного с полом наследования.

Благодаря цитолого-генетическим экспериментам (А, Стертевант, К. Бриджес, Г. Дж. Мёллер, 1910) удалось установить участие некоторых хромосом в определении пола. У дрозофилы, например, наряду с тремя парами хромосом (аутосом), не имеющих отношения к определению пола, была обнаружена пара половых хромосом. Половые хромосомы, в свою очередь оказались двух типов - длинные палочковидные Х-хромосомы и маленькие изогнутые Y-хромосомы. Их сочетаниями и определяется пол мухи. Дальнейшие эксперименты показали, что у дрозофилы, как и у большинства млекопитающих (в том числе человека), амфибий, рыб и большинства растений попадание в зиготу двух Х-хромосом приводит к формированию женской особи, объединение же одной Х-хромосомы и одной Y-хромосомы дает начало мужской особи * . Следовательно, все женские гаметы одинаковы - они несут по одной Х-хромосоме; мужские особи дают гаметы двух типов: половина содержит Х-хромосому, половина - Y-хромосому. Поэтому при оплодотворении половина зигот получает набор хромосом XX, а половина - XY, и отношение полов равняется 1:1.

* (У большинства птиц, насекомых и части растений определение пола происходит иным образом: мужской пол получается от сочетания двух Х-хромосом; женский пол характеризуется сочетанием Х- и Y-хромосом )

Определив, что ген окраски глаз дрозофилы локализован в Х-хромосоме, и проследив за поведением генов в потомстве определенных самцов и самок, Морган и его сотрудники получили убедительное подтверждение предположения о сцеплении генов.

Таким образом, в развитии генетики выделяются два важных этапа. Первый, базирующийся на гибридологических исследованиях, связан с открытием Менделя - доказательством наличия элементарных наследственных факторов, установлением характера взаимодействия этих факторов (правило доминантности - рецессивности) и выяснением количественных закономерностей в расщеплении признаков при скрещиваниях. Второй этап, связанный с успехами цитологических исследований, завершился доказательством того, что носителями наследственных факторов являются хромосомы. Морган сформулировал и экспериментально доказал положение о сцеплении генов в хромосомах. В частности, генетическими методами были обнаружены четыре группы сцепления у Drosophila melanogaster, что совпадало с данными цитологических исследований. На очереди стоял вопрос о порядке расположения генов в хромосомах.

Проблема внутрихромосомной локализации генов

Тщательный анализ возникновения мутаций у дрозофилы позволил обнаружить большое число разнообразных наследственных изменений, причем выяснилось, что каждый ген может давать значительное число мутаций. Например, были обнаружены мутанты с красными, белыми, пурпурными, эозиновыми, гранатовыми, цвета слоновой кости, рыжими, молочными, киноварными глазами. Подобной изменчивостью характеризуются и другие гены.

По мере обнаружения все новых и новых мутаций увеличивался объем сведений о. локализации отдельных генов в той или иной хромосоме. Ключом для решения вопроса о расположении генов по длине хромосомы послужило изучение Морганом явлений нарушения сцепления генов в результате обмена участками между хромосомами (длиной от одного до нескольких генов), названного им кроссинговером (по-английски, перекрест).

Существенным этапом в изучении кроссинговера явилось установление того факта, что определенные гены перемещаются из хромосомы в хромосому с определенной специфичной для них частотой. Морган высказал предположение, что чем дальше друг от друга по длине хромосомы расположены гены, тем легче может произойти кроссинговер между ними, ибо для разделения близко лежащих генов необходимо, чтобы разрыв прошел между ними. Вероятность такого разрыва, очевидно, мала. А если это так, то процент особей, у которых осуществился кроссинговер, от общего числа исследованных особей может служить мерой расстояния между генами в хромосоме. За выдающиеся работы в области генетики Морган был удостоен в 1933 г. Нобелевской премии.

В 1913 г. Стертевант составил первую карту половой Х-хромосомы дрозофилы, построенную на основании численных данных по сцеплению и кроссинговеру, наблюдаемых у шести сцепленных с полом генов. К 1916 г. у дрозофилы уже была изучена локализация в хромосомах сотен генов, и они были картированы по всем четырем хромосомам. Метод составления генетических карт, разработанный на дрозофиле, был перенесен на растения (кукуруза, львиный зев) и животные (мыши).

Составление генетических карт - процедура весьма трудоемкая. Генные структуры хромосом поддаются легкой расшифровке у тех организмов, которые быстро размножаются. Последнее обстоятельство является основной причиной того, что самые подробные карты существуют для дрозофилы, ряда бактерий и бактериофагов, а наименее подробные для растений. Составление карт для долгоживущих организмов (животные, многолетние растения) - дело будущего.

Следует отметить, что чисто генетические методы определения локализации генов в хромосомах так или иначе давали лишь косвенные доказательства хромосомной теории наследственности и последнюю продолжали оспаривать некоторые генетики (например, Р. Гольдшмидт, 1917). Прямым доказательством этой теории послужили обнаруженные К. Бриджесом у дрозофилы явления нерасхождения половых хромосом (1913, 1916) и выпадения четвертой хромосомы (1921). В этих случаях генетические предсказания, основанные на скрещиваниях, подтвердились при изучении кариотипов под микроскопом.

Наконец, были получены прямые цитологические доказательства существования кроссинговера у дрозофилы. Еще в 1909 г. бельгийский исследователь Ф. Янсенс натолкнулся на любопытный факт. В профазе первого мейотического деления парные хромосомы подходили друг к другу, выстраивались параллельно, а затем, коснувшись концами, быстро смыкались.

Несмотря на полный контакт между хромосомами саламандр, с которыми работал Янсенс, очертания каждой из хромосом были видны достаточно четко. Благодаря этому удалось заметить, что во время перекручивания хромосом в месте их переплетения, которое он назвал хиазмой, произошел обмен кусками хромосом.

Однако с достоверностью подтвердить методами цитологии наличие обмена не удавалось до тех пор, пока немецкий исследователь К. Штерн (1931) не использовал так называемое явление транслокации, т. е. переноса оторвавшегося куска одной хромосомы на другую хромосому. Ему удалось при помощи транслокации перенести кусок Y-хромосомы дрозофилы к Х-хромосоме, после чего последнюю без труда можно было обнаружить на цитологических препаратах. Кроме того, возникшая при этом линия мух несла два генетических отличия (их Х-хромосома имела два легко обнаруживаемых фенотипически так называемых маркирующих рецессивных гена).

Вторым этапом работы был отбор линии двух мух с транслокацией иного рода. В этом случае наблюдения велись над Х-хромосомой, разорвавшейся пополам, после чего одна из ее половин присоединилась к маленькой Y-хромосоме. Оставшийся кусок Х-хромосомы опять-таки был хорошо отличим как цитологически, так и генетически - маркирующие гены у нее были доминантными.

Таким образом, у Штерна оказались две линии дрозофил, четко отличавшиеся друг от друга Х-хромосомами. Соединив обе маркированные Х-хромосомы в зиготе одной самки, он дождался кроссинговера, распознав его по характеру проявления генов. Цитологически проанализировав клетки потомства мухи, полученной в результате кроссинговера, он смог обнаружить результат кроссинговера в наглядной форме под микроскопом: длинная Х-хромосома обменялась своим большим участком с маленьким куском короткой Х-хромосомы, в результате чего обе хромосомы имели теперь примерно одинаковую длину. Позже аналогичный эксперимент на кукурузе произвела Б. Мак-Клинток (1944).

Искусственное получение мутаций

Крупнейшим достижением экспериментальной генетики было обнаружение возможности искусственно вызывать мутации при помощи разнообразных физических и химических агентов. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов (1925) получили мутации у дрожжей под действием радия и рентгеновых лучей; Г. Мёллер * (1927) - при помощи рентгеновых лучей у дрозофилы, а Л. Стадлер (1928) - посредством воздействия этими же лучами у кукурузы.

* (За изучение явлений сцепления и кроссинговера, а также открытие искусственного мутагенеза Г. Мёллеру была присуждена в 1946 г. Нобелевская премия. )

В изучении проблемы изменчивости начался новый, исключительно плодотворный период. В короткий срок мутагенный эффект облучения был исследован на многих объектах. Было установлено, что под действием облучения могут возникать мутации любых типов. Вместе с тем для изучения проблемы воздействия лучистой энергии на биологические системы решающее значение имело выяснение мутагенной активности различных родов излучений. Оказалось, что все известные виды излучений способны вызывать наследственные изменения. В середине 30-х годов была сформулирована теория, описывающая кинетические зависимости инактивирующего и мутагенного эффекта ионизирующих излучений - так называемая "теория мишени". Важнейшие эксперименты, ставшие основой этой теории, были выполнены в период 1931 - 1937 гг. Н. В. Тимофеевым-Ресовским, М. Дельбрюком, Р. Циммером и другими исследователями.

Важным достижением на пути к искусственному получению мутаций явились работы В. В. Сахарова (1932, 1938) и М. Е. Лобашева (1934, 1935) по химическому мутагенезу. Сахаров показал мутагенное действие иода, а Лобашев - аммония. Новый этап изучения роли химических факторов в процессе мутаций был открыт И. А. Рапопортом (1943, 1946, 1947) и Ш. Ауэрбах (1943), указавшими на мощное мутагенное действие некоторых химических веществ.

В настоящее время известно большое количество веществ, усиливающих мутационный процесс. Разработана теория действия мутагенных соединений на наследственные структуры, интенсивно разрабатываются проблемы специфичности действия мутагенов.

Классификация мутаций

Большой материал, накопившийся в области изучения наследственной изменчивости, позволил создать классификацию типов мутаций.

Было установлено существование трех классов мутаций - генных, хромосомных и геномных. К первому классу относятся изменения, затрагивающие лишь один ген. В этом случае либо полностью нарушается работа гена и, следовательно, организм теряет одну из функций, либо изменяется его функция. Хромосомные мутации, т. е. изменения в структуре хромосом, в свою очередь, подразделяются на несколько типов. Кроме транслокаций, о которых шла речь выше, может произойти удвоение, утроение и т. д. отдельных участков хромосомы. Такие мутации называют дупликацией. Иногда оторвавшийся кусок хромосомы может остаться в той же хромосоме, но окажется в перевернутом виде; при этом порядок расположения генов в хромосоме изменяется. Этот тип мутаций называют инверсией. Если утрачивается участок хромосомы, говорят о делеции, или нехватке. Все эти типы хромосомных перестроек объединяют под общим термином - хромосомные аберрации.

Наконец, мутации могут выражаться в изменении числа хромосом. Такие мутации именуют геномными. Оказалось, что отдельные хромосомы могут удваиваться или теряться, в результате чего образуются гетероплоиды. Чаще набор хромосом увеличивается в кратное число раз и возникают полиплоиды, т. е. клетки или целые организмы с избыточными наборами хромосом.

Изучение наборов хромосом (кариотипов) различных видов выявило широкую распространенность полиплоидии в природе, особенно среди растений, для многих из которых описано большое количество полиплоидных рядов. Например, представители рода Triticum располагаются в такой ряд - Triticum топососсит имеет 14 хромосом (диплоиды); Tr. turgidum, Tr. durum несут 28 хромосом (тетраплоиды); у Tr. vulgare и Tr. spelta число хромосом равно 42 (гексаплоиды). В роде Solanum прослежен ряд: 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108, 144 хромосом (гаплоидное число хромосом в этом роде может умножаться до 24 раз). Род Rosa характеризуется рядом: 14, 21, 28, 35, 42, 56 хромосом. Полиплоидные ряды не обязательно содержат члены с удвоенными, учетверенными, ушестеренными и т. д. наборами хромосом. Так, в роде Crepis наблюдается четко выраженная полиплоидия, но число хромосом в ряду возрастает следующим образом: 6, 8, 10, 12, 16, 18, 24, 40, 42. Таких родов в растительном царстве много.

Искусственное получение полиплоидов

После обнаружения естественных полиплоидов удалось искусственно получить полиплоиды различных организмов. Это открытие явилось важнейшим достижением экспериментальной генетики.

Одними из первых искусственных полиплоидов оказались томаты и паслен с учетверенными наборами хромосом, полученные Г. Винклером в 1916 г. С открытием полиплоидогенных веществ (алкалоид колхицин, продукт возгонки нефти - ацетанафтен и др.) стало возможным необычайно ускорить получение полиплоидов и на их базе начать селекцию новых, высокоурожайных сортов растений.

В 1927 г. Г. Д. Карпеченко методом полиплоидии впервые в мире создал новый, не встречающийся в природе организм, названный Raphanobrassica, в котором хромосомы редьки (Raphanus) объединились с хромосомами капусты (Brassica). В зависимости от содержания хромосом того или иного рода в клетках нового растения менялась форма его плодов. Так, при равном количестве тех и других хромосом плод был наполовину редечным, наполовину капустным; при сочетании 9 редечных хромосом и 18 капустных он на две трети был капустным и на треть редечным и т. д. Оценивая свою работу, Карпеченко отмечал, что она может рассматриваться как экспериментальное обоснование теории гибридного происхождения полиплоидных видов. Шведский генетик А. Мюнтцинг (1930), применив метод скрещиваний, сумел из двух 16-хромосомных видов пикульника (Galeopsis speciosa, G. pubescens) получить третий - 32-хромооомный - G. tetrahit (1932).

В дальнейшем было выяснено, что полиплоидия не ограничивается миром растений. Применив тот же метод полиплоидизации, Б. Л. Астауров добился в 40-х годах получения плодовитых гибридов при скрещивании шелкопрядов двух видов Воmbух mori и В. mandarina.

Изучение генетических основ эволюции

Доказательство положения о неисчезаемости рецессивных признаков при скрещивании организмов, выдвинутого Менделем, оказалось очень важным для развития эволюционного учения. Это положение позволило преодолеть возражение, высказанное английским математиком Ф. Дженкином, будто вновь возникающие в природе наследственные изменения не могут распространяться в природе из-за "растворения" среди окружающей их массы нормальных неизменных особей. После переоткрытия законов Менделя и доказательства, что факторы, определяющие развитие наследуемых признаков, передаются потомкам не дробясь, "кошмар Джен-кипа" был развеян. Стало ясно, что все мутации, возникающие в естественных условиях, не исчезают, а переходят либо в рецессивное состояние, либо остаются доминантными (см. также главу 17).

В 1904 г. К. Пирсон обосновал так называемый закон стабилизирующего скрещивания, согласно которому в условиях свободного скрещивания при любом исходном соотношении численности гомозиготных и гетерозиготных родительских форм в результате первого же скрещивания внутри сообщества устанавливается состояние равновесия. В 1908 г. английский математик Г. Харди пришел к выводу, что в неограниченно больших популяциях при наличии свободного скрещивания, при отсутствии давления мутаций, миграций и отбора относительная численность гомозиготных (как доминантных, так и рецессивных) и гетерозиготных особей будет сохраняться постоянной при условии равенства произведения числа гомозиготных (доминантных на рецессивных) особей квадрату половины числа гетерозиготных форм. Таким образом, согласно закону Харди (называемому часто также законом Харди - Вейберга), в популяции при наличии свободного скрещивания должно существовать совершенно определенное и равновесно поддерживаемое распределение мутантных форм. Следует подчеркнуть, что хотя математически строгая форма указанных закономерностей давала вполне четкое представление о генетических основах эволюционного процесса, эти закономерности длительное время не были признаны биологами-эволюционистами. Между дарвинизмом и генетикой существовала пропасть, а работы в одной области велись в полном отрыве от работ в другой.

Лишь в 1926 г. С. С. Четвериковым была опубликована большая работа, впервые привлекшая внимание к общебиологическому значению выкладок Пирсона, Харди и др. Четвериков подробно рассмотрел биолого-генетические основы эволюции (роль мутаций, или геновариаций, по его терминологии, распространение мутаций в условиях свободного скрещивания, роль естественного отбора и изоляции, роль генотипической среды) и заложил основы новой научной дисциплины - популяционной генетики. Дальнейшее развитие популяционной генетики было связано с работами С. Райта, Р. Фишера, Н. П. Дубинина, Ф. Г. Добжанского и др.

Четвериков и его ученики Н. К. Беляев, С. М. Гершензон, П. Ф. Рокицкий и Д. Д. Ромашов впервые осуществили экспериментально-генетический анализ природных популяций дрозофилы, полностью подтвердивший их насыщенность рецессивными мутациями. Аналогичные результаты были получены Е. А. и Н. В. Тимофеевыми-Ресовскими при изучении популяций дрозофилы (1927 - 1931), а также другими исследователями.

Идеи Четверикова послужили основой для дальнейшего изучения генетики популяций. Закономерности, выведенные Пирсоном и Харди, были справедливы лишь для "идеальных" популяций. Последующий анализ выводов этих авторов показал, что они приложимы только к абстрактной, не ограниченной по численности популяции; в реальных же популяциях наблюдается отклонение фактической частоты сохранения мутаций от ожидаемой. Этот процесс осуществляется согласно вероятностным законам и приводит к резкой перестройке генетической структуры популяции. Поскольку из всего потомства любой пары родителей достигают половой зрелости и дают потомство в среднем только две особи, то возможность сохранения в популяции вновь возникшей мутации зависит от многих причин (вероятности ее гибели; частоты повторного возникновения такой же мутации; различий в численности потомков, остающихся от разных родителей; степени изоляции в популяции и т. д.).

Было установлено, что сохранение и распространение мутаций в популяции определяется генетико-автоматическими процессами. Детальный анализ этих процессов был проведен Ромашовым (1931), Дубининым (1931) и Райтом (1921, 1931). Последний назвал их "явлением дрейфа генов в популяции", а Четвериков - "генетико-стохастическими", подчеркнув их вероятностно-статистическую природу. Статистический анализ, подкрепленный экспериментами в реальных популяциях, показал, что в среднем из 104 различных одновременно возникших мутаций через 100 поколений остается около 150 мутаций, а через 500 поколений - только 40 * . Таким образом, в результате генетико-автоматических процессов уничтожается множество возникающих мутаций и лишь некоторые доводятся до уровня заметных концентраций. Так как отбор в популяции в сильнейшей степени зависит от средних концентраций аллелей, то повышение численности отдельных мутаций за счет генетико-автоматических процессов должно приводить к резкому увеличению скорости отбора в популяции. В силу вероятностной природы генетико-автоматических процессов они могут то устранять отдельные мутации, то поднимать их численность, позволяя отбору осуществлять механизм "проб и ошибок". Генетико-автоматические процессы постоянно выносят редкие мутации до уровня действия отбора и этим помогают последнему быстро "пересмотреть" новые варианты мутантов. Если отбор бракует мутации, они быстро уходят в зону низких концентраций или вовсе исчезают из популяции; если отбор их подхватывает, они быстро распространяются в популяции, минуя длинную фазу пребывания в низкой концентрации, недоступную отбору. Таким образом, генетико-автоматические процессы ускоряют эволюцию новых мутаций за счет сокращения ранних этапов размножения вновь возникших мутаций.

* (И. П. Дубинин. Эволюция популяций и радиация. М., Атомиздат, 1966. )

Детальное изучение генетической структуры природных популяций и скорости распространения мутаций в природе превратилось сейчас в область биологии, активно разрабатываемую на основе математических методов. Большое значение для развития этой области имеют модельные эксперименты, в которых исследуется судьба экспериментально созданных популяций и определяется роль различных форм изоляции и отбора.

Проблема дробимости гена

К началу 30-х годов XX в. сложились основы теории гена. Уже первые достижения гибридологического анализа поставили проблему дискретности наследственного материала. В опытах Менделя это представление получило надежное экспериментальное подтверждение. Считалось, что ген отвечает за развитие одного признака и передается при скрещиваниях как неделимое целое. Открытие мутаций и кроссинговера первоначально также подтверждали неделимость генов. Так, А. Кателл получил из мутантных (желтых) дрозофил других мутантов, но при этом любая новая мутация захватывала весь ген. Н. В. Тимофеев-Ресовский (1925- 1929), Г. Мёллер (1928) и М. Демерец (1928), получив так называемые обратные мутации (т. е. превратив мутантных мух в нормальных), удостоверились, что одно состояние гена целиком сменяется новым. При изучении кроссинговера было также установлено, что во время этого процесса могут передаваться куски хромосом разной длины, но минимальный передаваемый участок соответствует одному гену. Разрывов в пределах гена никогда не наблюдали. В результате обобщения всех этих данных определение гена получило следующую формулировку: ген - это элементарная единица наследственности, характеризующаяся вполне определенной функцией, мутирующая во время кроссинговера как целое. Иначе говоря, ген - единица генетической функции, мутации и кроссинговера.

В 1928 г. эта, казалось, вполне устоявшаяся теория неделимости гена претерпела первое ограничение. Сразу после обнаружения мутагенного действия рентгеновых лучей они были использованы во многих лабораториях мира для получения мутаций. Такая работа велась и в лаборатории А. С. Серебровского в Биологическом институте им. К. А. Тимирязева. В 1928 г. в той же лаборатории Н. П. Дубинин начал исследовать действие рентгеновых лучей на дрозофил и обнаружил необычную мутацию. Образование щетинок на теле мух контролируется особым геном scute. Мутация гена scute, впервые обнаруженная американским генетиком Пейном (1920), не раз возникала в экспериментах, и при ее появлении подавлялось развитие девяти щетинок. Мутация scute, выявленная Дубининым, подавляла развитие всего четырех щетинок. Так как общепринятым было представление о целостном мутировании гена, появление такой мутации казалось совершенно непонятным. В следующем эксперименте была найдена мутация, затрагивавшая уже не 4 или 9, а 18 щетинок на теле мухи. Иными словами, было повреждено как будто сразу два гена. Дубинин обозначил эти мутации символами scute-1, scute-2 и scute-З. Стало ясно, что ген не является неделимой генетической структурой, а представляет собой область хромосомы, отдельные участки которой могут мутировать независимо друг от друга. Это явление было названо Серебровским ступенчатым аллеломорфизмом.

Вслед за Н. П. Дубининым И. И. Агол нашел четвертую мутацию - scute-4, не совпадавшую с первыми тремя; А. Е. Гайсинович - scute-5; затем А. С. Серебровский обнаружил мутацию scute-б; С. Г. Левит - scute-7; Б. Н. Сидоров - scute-8; Н. П. Дубинин - мутации scute-9, scute-10, scute-11, scute-13, scute-15, scute-16, scute-17; H. И. Шапиро - scute-12; Л. В. Ферри - scute-14. Тем самым явление дробимости гена было окончательно доказано.

Одним из крупных достоинств работ по изучению ступенчатых аллеломорфов был количественный метод учета мутантов. Разработав систему, позволявшую количественно оценивать результат каждой мутации, Серебровский, Дубинин и другие авторы тогда же раскрыли явление дополнения одного мутантного гена другим. При этом нарушенная функция одного гена исправлялась нормальной функцией другого гена. Второй ген, в свою очередь, мог быть дефектен в другом участке, нормальном у первого гена. Это явление было впоследствии переоткрыто на микроорганизмах и получило название комплементации. За цикл работ по хромосомной теории наследственности и теории мутаций Дубинин был удостоен в 1966 г. Ленинской премии.

Показав мутационную дробимость гена, Серебровский и сотрудники его лаборатории, тем не менее, долгое время не могли подтвердить дробимость гена при помощи кроссинговера. Дело в том, что разрешающая способность кроссинговера в отношении хромосом высших организмов весьма ограниченна. Чтобы обнаружить разрыв гена, требовалось проверить огромное число мух. Организовать такой эксперимент удалось только в 1938 г., когда Н. П. Дубинин, Н. Н. Соколов и Г. Г. Тиняков смогли разорвать ген scute и проверить свой результат цитологически на гигантских хромосомах слюнных желез дрозофилы. Окончательное решение вопроса, делим ли ген не только мутационно, но и механически, было достигнуто в работах М. Грина (1949), Э. Льюиса (1951) и Г. Понтекорво (1952). Было окончательно установлено, что считать ген необычайно устойчивой, далее неделимой структурой неправильно. Настало время разработать новую теорию гена, определить конкретные физические структуры, ответственные за реализацию различных генетических функций. Решить эти проблемы на сложных многоклеточных организмах ввиду чисто технических трудностей не представлялось возможным, ибо для этого необходимо было исследовать десятки и сотни тысяч мух. На помощь пришли микроорганизмы.

Переход к генетическим исследованиям на микроорганизмах явился крупнейшим шагом вперед в изучении генетических проблем. Новые объекты исследования обладали тем преимуществом, что они давали огромные популяции, чрезвычайно быстро размножались, имели предельно простой генетический аппарат (их хромосомы состоят из одной молекулы ДНК), у них были четкие, хорошо селекционируемые мутанты. С развитием экспериментов на микроорганизмах генетика перешла на молекулярный уровень исследований, принесших разгадку многих тайн организации живого.