ГЛАВА VI ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМОСОМ

Современные представления о материальных основах наследственности берут начало от исследований Г. Менделя (1822-1884), историческая заслуга которого состоит в том, что он сформулировал теорию, объясняющую наследственность существованием и передачей факторов (единиц) наследственности от родителей к потомству через репродуктивные клетки. Г. Мендель обосновал значение генов как фундаментальных единиц жизни и установил законы передачи этих единиц от родителей к потомству. Заключения, сформулированные Г. Менделем, принято называть теперь законами наследствен- ности. В последующем Т. Морган (1886-1945) представил решающие доказательства в пользу того, что гены фиксированы на хромосомах. Работы Г. Менделя, Т. Моргана и их последователей заложили основы теории гена и хромосомной теории наследственности.

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

В отличие от своих предшественников, пытавшихся изучать поведение в скрещиваниях сразу нескольких признаков, Г. Мендель в скрещиваниях растений одной линии с растениями другой линии изучал поведение признаков раздельно. Когда было изучено поведение одной пары контрастирующих признаков, в дальнейших скрещиваниях наблюдению подвергалась следующая пара признаков и т. д. Закончив эту работу, Г. Мендель приступил к изучению поведения

в скрещиваниях одновременно двух пар контрастирующих признаков, например формы семян и окраски семядолей (дигибридные скрещивания), а затем трех пар признаков - формы семян, окраски семядолей и окраски кожуры семян (тригибридные скрещивания).

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

ДОМИНАНТНОСТЬ И РЕЦЕССИВНОСТЬ

Г. Мендель скрещивал чистолинейные растения путем нанесения на пестик цветка растения одной линии пыльцы, взятой из цветка растения другой линии, и наоборот. Когда в скрещивания были вовлечены растения двух линий, различающиеся по такой паре контрастирующих признаков, как круглая и шероховатая (угловатая) форма семян, т. е. одно скрещиваемое растение давало круглые семена, а другое - шероховатые (рис. 39), а затем от них были получены гибриды первого поколения то оказалось, что все эти гибриды единообразны, так как они похожи на растения одной из родительских линий (давали семена круглой формы). Замечательным оказалось также и то, что все эти гибриды давали семена круглой формы независимо от принадлежности пыльцы цветка растений одной или другой родительской линии.

Проверив в других скрещиваниях поведение остальных шести контрастирующих признаков, Г. Мендель наблюдал, что во всех случаях гибриды F₁ также единообразны, ибо они были похожи на растения одной из двух скрещиваемых (родительских) чистых линий садового гороха в любом из соответствующих сочетаний. Таким образом, Г. Мендель обнаружил, что гибриды, полученные после скрещивания растений двух линий, различающихся по паре контрастирующих признаков, проявляют лишь один признак из этой пары. Признаки, которые проявились у гибридов первого поколения, Г. Мендель назвал доминантными. В результате всех скрещиваний

доминантными признаками оказались круглая форма семян, желтая окраска семядолей, серый цвет кожуры семян, выполненность бобов, зеленая окраска незрелых бобов, наружное расположение цветков и высокий рост растений.

Рис. 39. Моногибридные скрещивания: 1 - моногибридное скрещивание; 2 - объяснение результатов; 3 - обратное скрещивание

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

садового гороха оказались шероховатая форма семян, зеленая окраска семядолей, белый цвет кожуры семян, морщинистая форма семян, желтая окраска незрелых бобов, верхушечное расположение цветков и карликовый рост растений.

Полное доминирование, обнаруженное Г. Менделем, в последующем было показано многими исследователями у гибридов животных (млекопитающие, рыбы и др.) и растений (рис. 40). В то же время было отмечено отсутствие доминантности отдельных признаков как у животных, так и у растений. Например, скрещивание красных шортгорнов с белыми сопровождается тем, что гибриды первого поколения имеют промежуточную масть (чалую). Расщепление гибридов во втором поколении дает красных, белых и чалых шортгорнов (рис. 41). Наконец, у многих живых существ отдельные признаки наследуются по частично доминантному типу, что бывает тогда, когда одни признаки частично доминируют над другими. Как видно, доминантность того или иного признака может быть выражена в различной степени и может отсутствовать полностью. Однако важно подчеркнуть, что во всех выполненных к настоящему времени скрещиваниях, независимо от доминантности какого-либо признака, все гибриды первого поколения по этому признаку являются единообразными.

Рис. 40. Контроль окраски шерстного покрова у кроликов

Рис. 41. Скрещивание красных шортгорнов с белыми

РАСЩЕПЛЕНИЕ (СЕГРЕГАЦИЯ) ГЕНОВ

Как отмечено выше, гибриды F₂ садового гороха в экспериментах Г. Менделя характеризовались разнообразием, так как среди них встречались особи, у которых проявлялся как доминантный, так и рецессивный признак. Можно сказать, что гибриды F₂ были двух типов: одни из них были похожи на растения одной прародительской линии, другие - на растения другой прародительской линии. Например, гибриды из тех скрещиваний, в которых Г. Мендель наблюдал пару контрастирующих признаков, касающихся формы семян, характеризовались тем, что одни из них давали семена кру- глой формы, а другие - шероховатой. Однако, когда Г. Мендель провел подсчет гибридных растений F₂, различающихся по форме семян, то оказалось, что из 7324 гибридов 5474 гибрида (74,74%) давали круглые семена (доминантный признак), а 1850 гибридов (25,26%) - шероховатые (рецессивный признак). Другими словами, три четверти

всех гибридов F₂ были похожи на растения одной прародительской линии, а одна четверть - на растения другой прародительской линии. Следовательно, отношение между гибридами F₂, дающими круглые семена, и такими же гибридами, дающими шероховатые семена, есть отношение между доминантными и рецессивными признаками гибридов. Аналогичные отношения между разными гибридами второго поколения были выявлены и в скрещиваниях, в которых наблюдению подлежали остальные контрастирующие признаки садового гороха (табл. 9).

Таблица 9. Расщепление гибридов садового гороха второго поколения в опытах Г. Менделя

Как видно из табл. 9, у гибридов F₂ проявлялся каждый признак из любой пары контрастирующих признаков. Другими словами, у гибридов F₂ признаки подвергались расщеплению (сегрегации).

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

В рамках этой гипотезы Г. Мендель предположил, что контрастирующие признаки детерминируются какими-то факторами (элементами, единицами), которые передаются от родителей к потомству через половые клетки. Г. Мендель предположил также, что каждая

пара контрастирующих признаков детерминируется парой факторов, которые в гибридах не смешиваются, но при образовании гамет расходятся, проходят чистыми в разные гаметы и затем оказываются в потомстве гибридов. Например, круглая форма семян, являясь доми- нантным признаком, детерминируется доминантным фактором, тогда как шероховатая форма семян, являющаяся рецессивным признаком, детерминируется рецессивным фактором. Каждое растение имеет пару генетических факторов на каждый контрастирующий признак, причем оба фактора присутствуют в растении одновременно.

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

Чтобы понять, каким образом гены передаются потомству и как они распределяются в потомстве между разными особями, необходимо уяснить сущность фенотипического и генотипического отношений, полученных Г. Менделем при изучении гибридов садового гороха. Обозначим, как это делал Г. Мендель, символом Р₁ исходные (родительские) растения, символами F₁ и F₂ - гибриды первого и второго поколений (соответственно), а символами R и r - аллельные гены (соответственно доминантный и рецессивный), детерминирующие, например, форму семян садового гороха. Поскольку растения Р₁ - чистолинейные, то те из них, которые дают круглые семена (являются гомозиготными и несут гены R и R), можно обозначить RR, а гаметы этих растений - R, тогда как те растения, которые дают шероховатые семена (являются тоже гомозиготными, несут гены r и r), можно обозначить rr, а гаметы этих растений - r.

Интерпретируя результаты своих опытов, Г. Мендель предположил, что при скрещивании исходных растений Р₁ женские гаметы R оплодотворяются мужскими гаметами r, и наоборот, вследствие чего гибриды F₁ будут гетерозиготными гибридами, имеющими генетическую формулу Rr и дающими семена круглой формы, так как аллель R подавляет аллель r. Когда гибрид F₁ продуцирует гаметы, аллели Rr расщепляются, в результате чего половина гамет будет нести аллель R, половина - аллель r. Если же при самоопылении гибридов F₁ женская гамета R оплодотворяется мужской гаметой R, то гибрид F₂

будет иметь генетическую формулу RR, его гаметы будут гаметами R, а самоопыление таких гибридов F₂ дает начало растениям RR. Если при самоопылении гибридов F₁ женская гамета r будет оплодотворена мужской гаметой r, гибрид F₂ будет гибридом с генетической формулой rr, его гаметы будут гаметами r, а самоопыление таких гибридов F₂ дает растения rr. Если же при самоопылении гибридов F₁ женская гамета R будет оплодотворена мужской гаметой r, или наоборот, то образующийся гибрид F₂ будет растением Rr (подобно гибриду F₁), его гаметы будут гаметами двух видов - мужские R и r и женские R и r, а самоопыление таких гибридов дает растения с генетическими формулами RR, Rr и rr.

Имея в виду соображения, приведенные выше, вернемся к гибридам F₁ , которые являются гетерозиготами Rr и продуцируют гаметы R и r в разных количествах. Допуская, что при оплодотворении гаметы объединяются случайно (нет преимуществ для объединения гамет R и R, или r и r, или R и r) и что все формирующиеся гибридные растения жизнеспособны, можно предположить, что в результате расщепления генов формируемые гибриды будут различными как по фенотипу, так и по генотипу (см. рис. 39).

Объединение гамет гибридов F₁ может давать четыре двойных сочетания аллелей, причем каждое из сочетаний должно давать начало не меньше одной четверти гибридов F₂. Оценивая генотипы гибридов F₂, можно видеть, что гомозиготные растения RR имеют лишь аллели, детерминирующие круглую форму семян, и поэтому такие растения должны давать семена круглой формы. Далее, гетерозиготные расте- ния Rr имеют аллель для круглой формы и аллель для шероховатой формы семян, но по причине доминантности аллеля R эти растения дадут семена также круглой формы. Наконец, гомозиготные растения rr имеют аллели лишь для шероховатой формы семян, и в связи с этим такие растения дадут шероховатые семена. Следовательно, если допущения случайного объединения гамет при оплодотворении и равной во всех случаях жизнеспособности гибридов справедливы, тогда среди гибридов F₂ три четверти особей должны давать круглые семена и одна четверть - шероховатые, т. е. растения, дающие семена разной формы, среди гибридов должны встречаться в соотношении 3:1, которое является фенотипическим отношением.

Возвращаясь к данным табл. 9, можно видеть, что среди 7324 гибридов F₂, изученных Г. Менделем, 5474 гибрида давали круглые семена и 1850 - шероховатые, что составляет соответственно 74,74 и 25,26%

и очень близко к отношению 3:1. Такое фенотипическое отношение среди гибридов F₂ Г. Мендель обнаружил и в случае других альтернативных признаков. Говоря о менделевском фенотипическом отношении среди гибридов, следует, однако, отметить, что оно не точно и лишь указывает на то, что можно ожидать на основе вероятности. Поэтому данное отношение будет тем точнее, чем большее количество гибридов будет исследовано.

Итак, интерпретация Г. Менделем сущности фенотипического отношения 3:1 заключается в том, что растения F₂, дающие круглые семена, генотипически неодинаковы, тогда как растения, дающие шероховатые семена, генотипически одинаковы (см. рис. 39). Среди гибридов F₂, дающих круглые семена, около 1/3 должно быть гомозиготными растениями RR (по аллелю для круглой формы семян) и около 2/3 - гетерозиготными Rr, имеющими и доминантный, и рецессивный аллели. Все растения, дающие шероховатые семена, являются рецессивными гомозиготами rr.

Чтобы проверить справедливость генной гипотезы, Г. Мендель осуществил ряд дальнейших скрещиваний. В частности, он скрещивал гибриды второго поколения, допуская их самоопыление и получая таким путем гибриды третьего поколения (F₃). Все гибриды F₃ происходящие от гибридов F₂ (предположительно rr), дававшие шероховатые семена, оказались растениями, снова дающими шероховатые семена, т. е., как и следовало ожидать, растениями rr. Что касается гибридов F₃, которые произошли от гибридов F₂, дававших круглые семена, то они оказались неодинаковыми. Самоопыление 1/3 всех этих гибридов F₂ (предположительно RR) дало начало гибридам F₃, продуцирующим семена только круглой формы, т. е. гибридам RR. Самоопыление 2 / 3 гибридов F₂ (предположительно Rr) дало начало гибридам F₃, среди которых 3/4 составляли растения, продуцировавшие круглые семена (RR и Rr), и 1/4 - продуцировавшие шероховатые семена (rr). Как и в случае гибридов F₂, здесь фенотипическое отношение также составляло соответственно 3:1. Таким образом, гибридные растения второго поколения (F₂), независимо от фенотипа генотипически, оказались растениями трех типов: растения RR, дающие круглые семена и остающиеся такими в дальнейших скрещиваниях (подобно растениям исходной линии, использованной в первоначальном скрещивании), гетерозиготные растения Rr, дающие, подобно гибридам первого поколения, круглые семена, но расщепляющиеся в дальнейших скрещиваниях, и гомозиготные растения rr, дающие

шероховатые семена и остающиеся такими в дальнейших скрещиваниях (подобно растениям другой исходной линии, использованной в первоначальном скрещивании), причем в отношении 1/4:1/2:1/4 или 1:2:1 соответственно. Отношение 1:2:1 является генотипическим и было обнаружено Г. Менделем также при анализе остальных шести признаков (цвет семян, положение цветков и т. д.). Следовательно, разница между видимым (феноти-пическим) и фактическим (генотипическим) отношениями обусловлена доминантным характером аллеля R и рецессивным характером аллеля r, вследствие чего генотипы RR и Rr дают одинаковый фенотип.

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

Итак, из результатов этих экспериментов следует, что каждый наследуемый признак находится под контролем пары одинаковых (аллельных) генов, из которых один аллель (один ген пары) про-

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

Сейчас известно, что некоторые признаки контролируются более чем двумя аллелями, т. е. существуют множественные алле- ли. Например, окраска шерстного покрова у кроликов (см. рис. 40) контролируется четырьмя аллелями (С₁, С₂, С₃, С₄). У человека группы крови по антигенам А и В контролируются тремя аллелями (см. гл. XIII). Однако их наследование также подчиняется первому закону наследственности.

НЕЗАВИСИМОЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕНОВ

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

готные рецессивные растения, дающие семена шероховатой формы и зеленого цвета (рис. 42).

Рис. 42. Дигибридное скрещивание: 1 - желтые круглые семена; 2 - желтые шероховатые семена; 3 - зеленые круглые семена; 4 - зеленые шероховатые семена

Проведенные эксперименты по наблюдению двух пар различий (круглые и шероховатые семена, желтые и зеленые семена) в диги- бридном скрещивании показали, что гибриды F_l в этих скрещиваниях похожи на гибриды F₁, возникающие в моногибридных скрещиваниях. Поскольку круглая форма семян является доминантной по отношению к шероховатой, а желтая окраска семян доминантной по отношению к зеленой, гибриды F₁ давали круглые семена, имеющие желтую окраску. Проведя скрещивание гибридов F₁ друг с другом или допуская самоопыление, Г. Мендель получил гибриды F₂, от которых затем было исследовано 556 семян (бобов). Изучив форму и окраску семян, полученных от гибридных растений F₂, он обнаружил, что раздельно как по форме, так и по окраске семян фенотипическое расщепление (отношение количества семян с доминантным признаком к количеству семян с рецессивным признаком) проявляется в отношении 3:1

или 3/4:1/4 ибо из 556 семян для 423 была характерна круглая форма (76,08%) и для 133 - шероховатая (23,92%), тогда как из этого количества семян для 416 была присуща желтая окраска (74,82%), а для 140 - зеленая (25,18%). Такой характер расщепления по форме и по окраске семян следовало ожидать исходя из результатов моногибридных скрещиваний. Однако в данном случае вопрос заключался в другом: является ли расщепление одной пары альтернативных признаков (круглая и шероховатая форма семян) независимым от расщепления другой пары признаков (желтая и зеленая окраска семян) или эти пары признаков зависимы, тесно связаны между собой? Аналогичный вопрос можно было поставить и по-другому: всегда ли круглая форма семян сочетается с их желтой окраской, а шероховатая форма семян - с зеленой окраской или невозможно появление семян с новыми комбинациями признаков?

Чтобы получить ответ на этот вопрос, Г. Мендель классифицировал все 556 семян по обеим парам признаков одновременно и получил следующие данные: круглые желтые - 315 семян, круглые зеленые - 108 семян, шероховатые желтые - 101 семя, шероховатые зеленые - 32 семя. Как видно, наряду с семенами, похожими на семена, которые давали растения исходных родительских линий (круглые желтые и шероховатые зеленые), гибриды F₂ давали также семена, похожие на семена исходных родительских растений только по форме или по окраске. Следовательно, среди растений, дававших круглые семена и количественно составлявших 3/4 исследованных растений (всей группы), в свою очередь 3/4 давали желтые семена и 1/4 - зеленые. Среди растений, дававших шероховатые семена и количественно составлявших 1/4 всех исследованных растений, в свою очередь 3/4 давали желтые семена и 1/4 - зеленые. Анализ этих количественных отношений приводил к дальнейшему заключению: а) 3/4 растений от 3/4 всех растений исследованной группы F₂ или 9/16 растений этой группы обладают обоими доминантными признаками (круглая форма и желтая окраска); б) 1/4 растений от 3/4 растений всей группы или 3/16 растений всей группы обладают одним доминантным (круглая форма семян) или одним рецессивным (зеленая окраска семян) признаком, т. е. признаками в новых сочетаниях (рекомбинациях); в) 3/4 растений от 1/4 растений всей группы или 3/16 растений всей группы обладают другим новым сочетанием доминантного и рецессивного признаков (шероховатая форма и желтая окраска семян); г) 1/4 растений от 1/4 растений всей груп-

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

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

Чтобы понять независимое перераспределение генов, вновь обратимся к символике, обозначив доминантный ген, контролирующий круглую форму семян, символом R, а его аллель, контролирующий шероховатую форму семян, - символом r. Что касается доминантного гена, контролирующего желтую окраску семян, то обозначим его Y, а его аллель, контролирующий зеленую окраску семян, - у. Используя эти символы и зная, что исходные родительские растения были чистолинейными, можно полагать, что растения, дававшие круглые желтые семена, несли гены RR YY, тогда как растения, дававшие семена шероховатой формы и зеленого цвет, несли гены rr уу. Следовательно, растения RR YY продуцировали гаметы RY, а растения ггуу - гаметы гу, объединение которых давало начало гибридным зиготам F₁ с генотипом Rr Yy.

Как видно, гибриды F₁ являются гетерозиготными растениями по двум парам генов, т. е. растениями Rr Yy. Если иметь в виду лишь форму семян, то гибриды F₁ с генотипом Rr будут продуцировать гаметы R и r поровну. Если же иметь в виду одновременно форму и окраску семян, то каждая гамета, продуцируемая гибридом

Е₁с генотипом Rr Yy, будет нести не только один генный аллель для формы семян, но и один генный аллель для окраски семян. Так, например, гаметы с аллелем R и с аллелем r наполовину будут одновременно гаметами Y и наполовину одновременно гаметами у. Однако важно заметить, что сочетание аллеля, детерминирующего круглую форму семян, с аллелем, определяющим желтую окраску семян, или с аллелем, определяющим зеленую окраску семян, является делом случая. Поскольку перераспределение генов имеет независимый характер, то среди гамет R, продуцируемых ^-гибридом Rr Yy, половина гамет будет обладать аллелем Yи половина - аллелем у. Учитывая то, что гаметы R сами составляют половину гамет, продуцируемых гибридом F₁ гаметы как RY, так и ту будут составлять по 1/4 от общего количества гамет гибрида F, Точно так же другая половина гамет, продуцируемая гибридом F₁, т. е. гаметы r, в свою очередь, наполовину будут гаметами rY и наполовину - гаметами Ry, составляя соответственно по 1/4 от общего количества гамет гибрида F₁. Другими словами, гибриды F₁ продуцируют гаметы четырех типов - RY, Ry, rY и гу, причем в равных количествах. Заметим, что Ry и rY - гаметы рекомбинантного типа.

Гаметы четырех типов, продуцируемые гибридами F₁, являются как мужскими, так и женскими, т. е. мужские гаметы будут гаметами четырех типов и женские гаметы будут гаметами четырех типов. Поскольку объединение тех или иных мужских и женских гамет при оплодотворении также дело случая и одинаково вероятно, то скрещивания F₁xF₁ дадут начало зиготам, несущим все 16 возможных комбинаций генов. Фенотипически организмы F₁ различаются между собой, так как 9 из них дают круглые желтые семена, 3 - круглые зеленые, 3 - шероховатые желтые и 1 - шероховатые зеленые. Следовательно, фенотипическое отношение между организ- мами F₂ составляет 9:3:3:1. Гибриды F₂ различаются одновременно и по генотипу. Организмы, которые дают круглые и желтые семена, по генотипу можно классифицировать на четыре типа:

а) организмы с генотипом RR YY (гомозиготные по обеим парам генов и дающие потомство с таким же фенотипом и генотипом при скрещивании между собой);

б) организмы с генотипом RR Yy (гомозиготные по паре генов, определяющих форму семян, но гетерозиготные по паре генов, опре- деляющих окраску семян, вследствие чего являются чистолинейными в дальнейших скрещиваниях лишь по генной паре RR);

в) организмы с генотипом Rr YY (гетерозиготные по паре генов, определяющих форму семян, но гомозиготные по паре генов, опреде- ляющих окраску семян, вследствие чего являются чистолинейными в дальнейших скрещиваниях лишь по паре генов YY);

г) организмы с генотипом Rr Yy (гетерозиготные по обеим парам генов и при скрещивании между собой будут давать потомство, подобное потомству F₂).

Кроме того, организмы с генотипами RR YY, RR Yy, Rr YY и Rr Yy различаются между собой и количественно, составляя отношение 1:2:2:4 (соответственно).

Приведенные выше рассуждения с использованием символов основаны на допущениях. Однако Г. Мендель проверил их экспе- риментально путем скрещиваний между собой всех 315 гибридов F₂, которые давали круглые желтые семена. Проанализировав потомство, полученное в этих скрещиваниях, он обнаружил организмы всех типов, которые следовало ожидать на основании допущений, приведенных выше (пп. а, б, в, г).

Для доказательства справедливости своих допущений о независимом распределении двух пар аллельных генов Г. Мендель использовал и дигибридные анализирующие скрещивания растений F₁, дающих круглые желтые семена, с гомозиготными рецессивными по двум парам генов исходными родительскими растениями, дающими шероховатые зеленые семена. Вспомним, что гибриды F₁ имеют генотип Rr Yy и продуцируют в равных количествах гаметы RY, rY, Ry и ry, тогда как исходные родительские гомозиготные рецессивные растения имеют генотип rr yy и продуцируют гаметы только одного типа - гу. Следовательно, в результате этих скрещиваний можно было ожидать появление организмов, которые будут давать круглые желтые семена (генотип Rr Yy), шероховатые желтые семена (генотип rr Yy), круглые зеленые семена (генотип Rr yy) и шероховатые зеленые семена (генотип rr yy), причем в отношении 1:1:1:1 (в равных количествах). Как показали анализирующие дигибридные скрещивания, возникавшие гибриды по своим свойствам соответствовали ожидаемым.

Независимый характер перераспределения генов был установлен Г. Менделем и в скрещиваниях растений, различающихся между собой по трем парам признаков (тригибридные скрещивания). Рассмотрим один из менделевских экспериментов, в котором скрещивали растения садового гороха, дающие желтые круглые семена и имеющие

красные цветки, с растениями, дающими шероховатые зеленые семена и имеющими белые цветки. Если использовать символы R и r, Y и у для обозначения пар генов, детерминирующих форму и окраску семян, а символы С и с - для обозначения пары генов, детерминирующих окраску цветков, то тогда генотипы скрещиваемых растений двух линий можно обозначить как RR YYСС и rr уу сс соответственно. Имея в виду также генотипы скрещиваемых организмов, можно было полагать, что последние продуцируют гаметы, несущие гены RYC и гус.

Тригибридные скрещивания дали начало гетерозиготным по всем трем парам генов тригибридам F₁ с генотипом Rr Yy Сс и вследствие доминантности фенотипически характеризующимися тем, что их семена будут круглыми желтыми, а цветки - красными. Тригибриды F₁ отличались от дигибридов F₁ тем, что вследствие независимого перераспределения генов они продуцировали гаметы не четырех, а восьми типов: RYC, RYc, RyC, Rye rYC, rYc, гус и гус, где большинство гамет (кроме RYC и rye) являлись рекомбинантными, т. е. несли новые (рекомбинантные) сочетания генов. Тригибриды F₁ отличались от дигибридов F₁ также и тем, что случайное объединение между теми или иными их гаметами (восьми типов) при оплодотворении приводило к формированию не 16, а 64 комбинаций гибридов F₂. Эти гибриды по фенотипу можно было разделить на 8 групп, состоящих из разного количества растений, для которых характерны следующие свойства:

•  круглые желтые семена, красные цветки - 27 растений;

•  круглые желтые семена, белые цветки - 9 растений;

•  круглые зеленые семена, красные цветки - 9 растений;

•  шероховатые желтые семена, красные цветки - 9 растений;

•  круглые зеленые семена, белые цветки - 3 растения;

•  шероховатые желтые семена, белые цветки - 3 растения;

•  шероховатые зеленые семена, красные цветки - 3 растения;

•  шероховатые зеленые семена, белые цветки - 1 растение. Как мы уже видели, часть фенотипически сходных моногибридов F₂ и дигибридов F₂ генотипичеки разнообразны. Аналогичная ситуация имела место и в случае части фенотипически сходных тригибридов F₂. To, что это действительно было так, экспериментально устанавливалось путем скрещиваний тригибридов F₂ между собой и изучения тригибридов F₃.

Результаты, которые можно было бы ожидать при изучении тригибридов F₂ и F₃, приводятся в табл. 10.

Таблица 10. Генотипы и поведение в скрещиваниях организмов, которые можно ожидать в потомстве гибридов F₂*

Окончание табл. 10

Одна из важнейших особенностей полигибридных скрещива- ний заключается том, что увеличение количества генов, вовлекаемых в скрещивания, сопровождается снижением частоты появления среди гибридов F₂ организмов исходных родительских типов и увеличением количества организмов, несущих рекомбинантные сочетания генов. Например, с вовлечением в скрещивание одного гена (одной пары аллелей) встречается по одному организму, похожему на организмы каждого исходного родительского типа, среди 4 гибридов F₂ с вовлечением в скрещивание двух генов (двух пар аллелей) - среди 16 гибридов, с вовлечением в скрещивание трех генов (трех пар аллелей) - среди 64 гибридов и т. д.В тех случаях, когда количество генов (n), вовлекаемых в скрещивания, составляет десятки и даже сотни, общее количество генотипов (3n), в том числе гомозиготных (2n), которое может возникать в потомстве одного гетерозиготного организма, достигает огромных размеров. Благодаря независимому перераспределению генов (свободной рекомбинации генов) половой процесс создает огромное генетическое разнообразие организмов.

Подведем итоги рассмотренных в этом разделе экспериментов Г. Менделя. По данным дигибридных скрещиваний, для передачи генов от одного поколения организмов к другому характерно их независимое расщепление и независимое перераспределение. Наряду с независимым расщеплением в дигибридных скрещиваниях выявляется и другая особенность. Растения F₁, возникшие в результате слияния гамет RY и гу при скрещивании исходных линий, дающих круглые желтые и шероховатые зеленые семена, в свою очередь продуцируют не только комбинации родительских гамет RY и гу, но и гаметы нового типа, несущие рекомбинантные фракции генов rY и Ry, притом в равном количестве. Что касается растений F₁, возникших после скрещивания линий, дающих шероховатые желтые и круглые зеленые семена в результате слияния их гамет Yr и yR, то они, кроме этих гамет, тоже дадут гаметы, несущие рекомбинантные гены YR и Yr, и тоже в равном количестве. Следовательно, образование гибридами F₁ одинакового количества родительских и рекомбинантных гамет является неотъемлемой особенностью независимого расщепления и перераспределения двух пар генов.

Исследуя скрещивания, в которых исходные растения несли по три пары разных генов, Г. Мендель тоже обнаружил это явление, т. е. тригибриды F₁, имея генотип RrYyCc, продуцировали гаметы восьми разных типов (RYC, RYc, RyC, Rye, rYC, rYc, ryC, гус), но в равных количествах.

Итак, генные пары двух скрещиваемых организмов расщепляются (сегрегируют) независимо одна от другой и перераспределяются, подвергаясь свободной рекомбинации между собой, причем гибридные организмы в процессе их гаметогенеза дают начало комбинациям родительских гамет и рекомбинациям гамет в равных количествах. Данное правило, установленное Г. Менделем, в настоящее время называют вторым законом наследственности (вторым законом Г. Менделя), законом независимого перераспределения генных аллелей или законом рекомбинации генов.

ХРОМОСОМНЫЕ ОСНОВЫ РАСЩЕПЛЕНИЯ

И НЕЗАВИСИМОГО ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕНОВ

Цитологические основы расщепления генов (первого закона наследственности) определяются парностью хромосом, поведением

хромосом диплоидных клеток при мейозе (спаривании и расхождении гомологичных хромосом) и последующим оплодотворением половых клеток, хромосомы которых несут по одному аллелю генных пар. У соматических клеток один аллель одной пары генов располагается на одном члене хромосомной пары, тогда как другой аллель представлен в другом члене хромосомной пары.

Расщепление генов происходит при гаметогенезе во время мейотических делений. При мейозе хромосомы расходятся и проходят в разные гаметы, причем каждая гамета получает по одной хромосоме (гомологу) из пары хромосом. Независимое распределение генов также может быть объяснено поведением хромосом при мейозе (рис. 43).

Рис. 43. Независимое распределение двух пар хромосом (Аа и Вв) при мейозе

Поскольку соматические клетки содержат по два набора хромосом, каждый из которых происходит от одного из родителей, то при мейозе расходится каждая из хромосомных пар, а вместе с этим расходятся и генные пары. Важно то, что хромосомные гомологи затем перераспределяются и проходят в разные гаметы независимо один от другого. Но так как передвижение при редукционном делении двух отцовских или двух материнских хромосом к одному и тому же полюсу или одновременно прохождение в гаметы той или иной отцовской хромосомы вместе с какой-либо материнской хромосомой является делом случая, то гаметы несут отцовские и материнские хромосомы в самых различных сочетаниях. Следовательно, гаметы несут также разные сочетания отцовских и материнских генов. То, что аллели одной и той же хромосомной пары обязательно расходятся, опреде- ляется расположением их в одном месте (локусе) на хромосомной паре. Таким образом, закономерности расщепления и независимого перераспределения генов определяются передачей от поколений к поколениям хромосом.

НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ, СЦЕПЛЕННАЯ С ПОЛОМ

Половые различия раздельнополых организмов связаны с различиями между их хромосомами, однако они по-разному проявляются у организмов разных видов.

У насекомых рода Protenor различия между хромосомами мужских и женских особей заключаются в том, что у мужских особей хромосомы представлены нечетным (меньшим) количеством (13), тогда как у женских особей - четным (14), т. е. количеством, большим на одну хромосому, которая является добавочной. Эта добавочная хромосома и определяет пол унаследовавшей ее особи в результате оплодотворения яйцеклетки мужской половой клеткой.

Однако у многих раздельнополых растений, беспозвоночных животных, рыб, птиц и всех млекопитающих различия между хро- мосомами мужских и женских особей связаны не с количеством хромосом, а с их качественным составом. Например, соматические клетки мужских и женских особей D. melanogaster несут по четыре пары хромосом. Как у самцов, так и у самок три пары хромосом одинаковы и их называют аутосомами, но члены четвертой пары у самцов и самок неодинаковы по строению, ибо у самок оба члена этой пары являются прямыми палочковидными образованиями

(Х-хромосомы), тогда как у самцов один член пары является прямым палочковидным образованием (Х-хромосома), а второй - изогну- тым (7-хромосома). Все одинаковые хромосомы у самцов и самок называются аутосомами (А), тогда как хромосомы 1и 7 получили название половых хромосом. Все яйцеклетки плодовой мушки несут четыре хромосомы (3А+Х), из которых три являются аутосомами, четвертая - Х-хромосомой. Напротив, сперматозоиды также обладают четырьмя хромосомами, но они наполовину несут Х-хромосому (3А+Х) и наполовину - Х-хромосому (3А+У). Оплодотворение любой яйцеклетки сперматозоидом, обладающим Х-хромосомой, дает начало зиготе женского типа (6А+ХХ), тогда как оплодотворение любой яйцеклетки сперматозоидом, обладающим 7-хромосомой, дает начало зиготе мужского типа (6А+ХТ).

У птиц самцы в соматических клетках содержат хромосомы ХХ, самки - Х7. Детерминирование пола у птиц сходно с этим явлением у D. melanogaster.

У человека хромосомы в соматических клетках женщин представлены 22 парами аутосом и парой половых хромосом ХХ (23АА+ХХ), тогда как в соматических клетках мужчин - 22 парами аутосом и парой половых хромосом Х7 (23АА+Х7). Следовательно, каждая яйцеклетка несет 22 аутосомы и половую хромосому Х, но сперматозоиды наполовину являются клетками, несущими 22 аутосомы и одну хромосому Х, и наполовину клетками, несущими 22 аутосомы и одну хромосому 7. На хромосоме Улокализован ген длиной в 230 000 пар азотистых оснований, детерминирующий развитие тестисов (ZFY - сексдетерминирующий район У). С геном ZFY связан также 7-хро- мосомный ген SRY, который тоже вовлечен в контроль развития тестисов и, кроме того, в контроль формирования костей. Помимо этого, в дополнение к гену существует несколько аутосомных генов и один Х-сцепленный генный локус. Эти гены связаны с дефектами в развитии тестисов.

У человека и млекопитающих пол потомства также зависит от вида сперматозоида, оплодотворяющего яйцеклетку. Проникновение в яйцеклетку ядерного содержимого сперматозоида, несущего 7-хромосому, даст зиготу женского типа. В соматических клетках женских индивидов синтез мРНК идет лишь на одной хромосоме Х (в одних клетках на материнской хромосоме Х, в других - на отцовской). Проникновение в яйцеклетку сперматозоида с 7-хромосомой даст зиготу мужского типа. Мужские индивиды являются гетеро-

зиготными (гетерогаметными) по полу, тогда как женские - гомозиготными (гомогаметными). Таким образом, пол генетически контролируется.

Однако у животных ряда видов пресмыкающихся пол контролируется не генотипом, а средой. Например, у многих черепах пол детерминируется температурой инкубации отложенных яиц (женские особи развиваются при повышенных температурах инкубации, мужские - при пониженных). Напротив, у аллигаторов, крокодилов и ящериц отдельных видов мужской пол детерминируется повышенными температурами. Детерминирование пола средой у позвоночных является исключением из общего правила генетического контроля пола.

Еще в 1910 г. Т. Морган (1886-1945) установил, что половые хромосомы участвуют также в контроле и ряда признаков. В его экспери- ментах, заключающихся в скрещиваниях белоглазых дрозофил-самок с красноглазыми дрозофилами-самцами, оказалось, что гибридное потомство состояло из красноглазых самок и белоглазых самцов. Однако среди гибридов встречались отдельные красноглазые самцы и белоглазые самки, появление которых было неожиданным, исходя из особенностей передачи хромосомы Х и нахождения на ней локуса гена, контролирующего белый цвет глаз. Анализируя этот случай в 1916 г., К. Бриджис (1889-1938) предположил, что «необычные» белоглазые самцы несут по две Х-хромосомы, унаследовав их от своих «матерей», тогда как «необычные» красноглазые самцы имеют одну Х-хромосому, унаследовав ее от «отцов». Объясняя это предполо- жение, К. Бриджис допустил, что исходные белоглазые самки продуцировали «необычные» гаметы, содержащие либо две хромосомы ХХ, либо ни одной хромосомы Х (наряду с гаметами, обычно содержащими по одной хромосоме Х) в результате нерасхождения при мейозе их хромосом ХХ. Если такие «необычные» гаметы подвергались оплодотворению сперматозоидами красноглазых самцов, то это приводило к образованию зигот четырех типов: а) белоглазых самок; б) красноглазых самцов; в) особей с 3 хромосомами Х (нежиз- неспособных); г) особей без хромосомы Х(также нежизнеспособных). Назвав это явление первичным нерасхождением хромосом (рис. 44), К. Бриджис затем цитологически показал, что в соматических клетках «необычных» белоглазых самок F₁ вместо хромосом ХХ присутствуют две хромосомы Х и одна 7-хромосома (ХХ7).

«Необычные» красноглазые самцы, не имеющие хромосомы 7, т. е. моносомики Х0, оказались в дальнейших экспериментах стерильны-

ми, тогда как белоглазые самки XXY были плодовитыми. Скрещивая последних с нормальными красноглазыми самцами и анализируя их потомство F₁, К. Бриджис открыл вторичное нерасхождение хромосом при мейозе у самок XXY (рис. 45), поскольку среди организмов F₁ 96% самок имели красные глаза и 4% - белые, тогда как среди самцов 96% были белоглазыми и 4% - красноглазыми. В этом случае при мейозе самки XXY продуцируют гаметы четырех типов, в которых хромосомы X и Yраспределяются неодинаково (яйцеклетки с хромосомой X: яйцеклетки, имеющие по одной хромосоме X и Y; яйцеклетки с двумя хромосомами X и яйцеклетки лишь с хромосомами У).

Рис. 44. Первичное нерасхождение X-хромосом у D. melanogaster (скрещивание красноглазого самца с белоглазой самкой)

Оплодотворение яйцеклеток каждого из этих типов сперматозоидами нормального красноглазого самца приводило к образованию зигот восьми типов, показанных на рис. 45. Однако эти зиготы будут формироваться не с одинаковой частотой, поскольку мейоз у самок XXY связан с тем, что расхождение двух хромосом X имеет место лишь в 0,2% овоцитов.

Объясняя вторичное нерасхождение хромосом, К. Бриджис допустил, что все белоглазые и отдельные красноглазые самки должны обладать не только парой хромосом X, но и хромосомой Y, тогда

как красноглазые самцы, в отличие от таких самцов, отмечаемых при первичном нерасхождении, должны иметь Y-хромосому и быть плодовитыми. Что касается отдельных белоглазых самцов, то они должны обладать одной хромосомой X и двумя хромосомами Y. Эти допущения К. Бриджис доказал цитологически, найдя в соматических клетках дрозофилы хромосомы во всех сочетаниях, приведенных выше.

Рис. 45. Вторичное нерасхождение хромосом у D. melanogaster

Открытие нерасхождения хромосом явилось окончательным доказательством в начале XX в. того, что гены локализованы на хромосомах. Однако теперь, когда прошло много времени и к этому открытию возможен иной подход, можно сформулировать другое заключение. Фундаментальное значение открытия нерасхождения хромосом состоит в том, что оно положило начало изучению хромосомных мутаций и их механизмов. Можно добавить также, что оно означало объединение генетики и цитологии, т. е. формирование цитогенетики, оказавшейся в наше время исключительно плодотворной при изучении наследственности и наследственной патологии животных, растений и особенно человека (см. гл. VIII).

СЦЕПЛЕНИЕ И КРОССИНГОВЕР

Рассматривая второй закон наследственности, мы видели, что перераспределение генов имеет независимый характер и связано с прохождением отцовского и материнского членов каждой пары хромосом при мейозе в разные гаметы. Следовательно, в независимое перераспределение или рекомбинацию генов вовлекаются те наборы генов, которые располагаются на разных хромосомах. Такую рекомбинацию называют свободной рекомбинацией. Однако еще в 1910 г. Т. Морган установил, что гены, располагающиеся на одной хромосоме, сцеплены между собой, причем степень сцепления генов зависит от расстояния между ними. Следовательно, Т. Морган установил, что второму закону наследственности подчиняются лишь гены, локализованные на разных хромосомах. Однако значение этих наблюдений заключалось также и в том, что они послужили основой для формулирования в дальнейшем Т. Морганом и его сотрудниками представлений о линейном расположении генов на хромосомах. На основе этих представлений стали создавать генетические карты хромосом не только дрозофил, но и других организмов.

Сцепление генов хорошо изучено в случаях многих видов животных и растений, причем показано, что оно присуще как женским, так и мужским особям. Чтобы лучше понять природу сцепления, рассмотрим его на давно изученном шведским генетиком Хатчисоном сцеплении генов, детерминирующих форму и окраску семян кукурузы (рис. 46).

Обозначим символом С доминантный аллель, детерминирующий окраску семян, символом с - рецессивный аллель, детерминирующий отсутствие окраски семян, символом S - доминантный аллель, детерминирующий нормальную форму семян, и символом s - рецессивный аллель, детерминирующий морщинистость семян. Если скрещивать растения CS/CSи cs/cs, то гибриды F₁ обладая генотипом CS/cs, будут давать окрашенные семена нормальной формы. В соответствии со вторым законом наследственности при независимом перераспределении генов С и s гибриды F₁ должны были продуцировать гаметы CS, Cs, cS и cs, причем в равных количествах, оплодотворение которых гаметами организмов ccss (скрещивание гибридов F_l с исходным родителем cсss) должно было дать потомство четырех фенотипических типов в отношении 1:1:1:1. Между тем скрещивание гибридов F₁ с исходными родительскими организмами cсss в опытах Хатчисона приводило к получению организмов в совершенно иных количественных отношениях, а именно:

•  растения CS/cs (окрашенные семена нормальной формы) - 4032

•  растения Cs/cs (окрашенные сморщенные семена) - 149

•  растения cS/cs (бесцветные семена нормальной формы) - 152

•  растения cs/cs (окрашенные семена нормальной формы) - 4035

88 88 68 ??

Окрашенные Бесцветные Окрашенные Бесцветные гладкие сморщенные сморщенные гладкие семена семена семена семена

4032 4035 149 152

-ν-' '-*-

Комбинации родительских Реомбинационные

признаков, 96,4% признаки, 3,6%

Рис. 46. Сцепление генов и кроссинговер

Легко видеть, что среди 8368 растений превалировали организмы, дающие окрашенные нормальные по форме и бесцветные сморщенные семена (4032 + 4035 = 8067, или 96,4%), т. е. характеризующиеся комбинациями родительских признаков. Что касается остальной части растений (149 + 152 = 301, или 3,6% от 8368), которые давали окрашенные сморщенные и бесцветные нормальной формы семена, то они обладали рекомбинантными признаками.

Если бы растения этих четырех типов встречались в равных количествах, то это означало бы независимое перераспределение (рекомбинацию) генных пар С - с и S - s. Между тем полученные результаты свидетельствовали о том, что перераспределение этих генных пар является зависимым, ибо комбинации родительских генов встречаются чаще, чем в 50% случаев. Другими словами, последние сцеплены между собой в 96,4% случаев.

То, что данные две пары генов имеют зависимое распределение, нашло также подтверждение в экспериментах по скрещиванию расте- ний кукурузы, одни из которых дают бесцветные нормальной формы семена, а другие - окрашенные сморщенные семена. Следовательно, любые родительские комбинации двух пар генов, локализованных на одной и той же хромосоме, благодаря сцеплению оказываются вместе в одинаковом количестве гамет, продуцируемых гетерозиготами.

Рассмотренный пример сцепления двух генов является самым простым. Между тем можно предположить далее, что если ген А сце- плен с генами В и С, тогда последние также сцеплены между собой. Изучение сцепления генов у многих организмов путем скрещивания и определения независимого или зависимого (сцепленного) характера в распределении их генов позволило еще в XX в. установить, что сцепление встречается между многими генами, а сцепленные гены составляют группы сцепления. Следовательно, геномы состоят из групп сцепленных генов или просто групп сцепления, причем количество групп сцепления обычно соответствует количеству хромосомных пар. У дрозофилы, имеющей 4 пары хромосом, установлено 4 группы сцепления, у кукурузы - 10 хромосомных пар и 10 групп сцепления, у садового гороха - 7 пар хромосом и 7 групп сцепления.

В случае животных, у которых пол детерминируется генетически, следует рассматривать гены, расположенные на Х- и Y-хромосомах, в качестве самостоятельных групп сцепления.

Как мы уже отмечали, в соответствии с заключением Т. Моргана гены сцеплены тогда, когда локализованы на одной хромосомной

паре. Допуская, что хромосомы остаются интактными при вступлении их в гаметы, локализованные на них гены всегда наследуются вместе. В этом случае можно говорить об их полном сцеплении. Однако, рассматривая сцепление генов у кукурузы, мы видели, что полного сцепления генов не бывает, поскольку происходит формирование не только гамет двух родительских типов, но и гамет рекомбинантных типов (вследствие рекомбинации генов). Об отсутствии полного сцепления свидетельствуют также данные, полученные при изучении других организмов. Механизм этого явления заключается в том, что в процессе гаметогенеза хромосомы клеток могут подвергаться разрывам в одном или нескольких местах, а сегменты, образующиеся в результате разрыва одной хромосомы, могут смыкаться с сегментами гомологичной хромосомы при условии, что в последней тоже были разрывы, причем в аналогичных местах. Как мы видели, гены С и S у кукурузы в 97% случаев (гамет) остаются сцепленными в родительских комбинациях, и примерно в 3% случаев (гамет) они не связаны между собой и находятся в рекомбинантных сочетаниях. Обмен между хромосомными сегментами гомологичных хромосом, сопровождаемый рекомбинацией сцепленных генов, получил название кроссинговера (Т. Морган), а явление, обусловленное этим механизмом, называют генетической рекомбинацией. В результате рекомбинации из двух исходных комбинаций генов создается новая комбинация. Возвращаясь к случаю рекомбинации генов у кукурузы, можно сказать, что кроссинговер произошел в сегменте хромосомы между локусами (местами), занимаемыми генами С и S, вследствие двух разрывов в этих участках хромосомы у отдельных клеток.

Кроссинговер начинается с того, что гомологичные хромосомы спариваются. После этого каждый гомолог спаренных хромосом расщепляется на две хроматиды, удерживаемые центромерой, причем между двумя хроматидами из четырех устанавливаются так называемые хиазмы (Х-образные фигуры, или перекресты). В дальнейшем в этих двух хроматидах происходят разрывы, за которыми наступает воссоединение концов разорванных хроматид. Благодаря разрыву и воссоединению сегментов происходит формирование новых хроматид (рис. 47). Можно подчеркнуть, что хиазмы обусловливают перекресты лишь двух хроматид из четырех, не нарушая при этом структуры остальных двух хроматид, вследствие чего кроссинговер захватывает только две хроматиды. Поэтому сформированные в про-

Рис. 47. Кроссинговер: 1 - одиночная хиазма; 2 - двухцепочечные двойные перекресты; 3 - четырехцепочечные двойные перекресты; 4, 5 - трехцепочечные двойные

перекресты

цессе мейоза хроматиды несут гены, располагавшиеся до мейоза на разных членах пар гомологичных хромосом.

Классическая методика измерения сцепления заключается в скрещивании организмов, различающихся между собой по двух- и более сцепленным генам, в получении гетерозиготных по этим генам гибридов F₁ (например, АВ/ав или Ав/аВ), в обратных скрещиваниях

гибридов F₁ с гомозиготными по этим генам организмами (ав/ав) и в учете особенностей их потомства, полученного после обратных скрещиваний. Установив количество особей с родительскими ком- бинациями генов и особей с рекомбинациями генов, определяют частоту рекомбинации (в процентах к общему количеству организмов, полученных после обратных скрещиваний). У человека методы измерения сцепления основаны на результатах гибридизации соматических клеток, секвенирования генов или результатах клонирования генов.

На степень сцепления генов влияют различные факторы. Известно, что частота кроссинговера снижается с возрастом орга- низмов, под воздействием ионизирующей радиации и других сильнодействующих факторов.

Кроссинговер, как уже отмечено, имеет место лишь в процессе гаметогенеза при мейозе. Однако он может происходить и в соматических клетках. Соматический кроссинговер установлен у растений и животных многих видов. У организмов, размножающихся только половым путем, результаты соматического кроссинговера не наследуются, например у человека.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ РЕКОМБИНАЦИИ

Изучение генетического материала на молекулярном уровне привело к выводу, что рекомбинация сцепленных генов представляет собой взаимодействие между гомологичными молекулами ДНК, конечным результатом которого является формирование структуры, построенной из частей каждого родительского гомолога. Представления о молекулярных механизмах генетической рекомбинации отражены в моделях «копирующего выбора» (copying-choise) и «разрыва - воссоединения» (breake-reunion).

Модель «копирующего выбора» была сформулирована еще в 1931 г. и в первоначальном варианте сводилась к допущению связи между репликацией и рекомбинацией генов. В последующем на основе этой модели стали считать, что рекомбинантные молекулы ДНК не содержат нуклеотидов, происходящих от ДНК родителей, они формируются заново, причем таким образом, что после спаривания гомологичных хромосом в качестве шаблона вначале используется ДНК одного

родителя, а затем - ДНК другого. Следовательно, после репликации рекомбинантные цепи ДНК представляют собой, по существу, реплики определенного района одной родительской цепи и реплики определенного района другой родительской цепи ДНК.

Модель «разрыв - воссоединение» окончательно была сформулирована почти тогда же, но ее содержание определилось благодаря данным о месте и времени осуществления кроссинговера, т. е. о поведении гомологичных хромосом при мейозе. В соответствии с этой моделью на молекулярном уровне рекомбинантная молекула ДНК строится прямым образом из сегментов родительских ДНК, причем ее построение осуществляется в результате разрыва цепей рекомбинирующих родительских молекул ДНК и последующего воссоединения образующихся сегментов двухцепочечных молекул ДНК.

Каждая из моделей имеет фактические обоснования, но модель «копирующего выбора» не совсем согласуется с моделью строения и полуконсервативной репликации ДНК. Напротив, модель рекомбинации «разрыв - воссоединение» согласуется с представлениями о полуконсервативной репликации ДНК. Рекомбинация молекул ДНК состоит из ряда последовательных стадий в виде разрыва, синтеза и воссоединения родительских цепей. Причем известны данные, позволяющие предполагать полярный характер рекомбинации в пределах малых районов хромосом (поляронов), равных по длине одному или нескольким генетическим локусам. На основе этого предполагают, что хромосома разделена на несколько сегментов (поляронов), концы которых (любой из двух) определяют начало разделения полинуклеотидных цепей ДНК. Разделение исходных молекул ДНК, предшествуя синтезу и формированию гибридных молекул ДНК, может происходить как в одном направлении (т. е. брать начало от одного конца полярона), так и в двух направлениях (с обоих концов полярона). Более того, предполагают даже, что рекомбинация очень сходна по своему механизму с процессом транскрипции генетической информации (образования мРНК) в смысле определения конца гена, с которого начинается разделение ДНК, и что в рекомбинации также работает ген-оператор, сходный с оператором оперона.

Анализ всех известных генотипических различий в генетической рекомбинации у организмов-эукариотов свидетельствует о том, что они обусловлены инбридингом, межвидовыми скрещиваниями, видовыми, популяционными и индивидуальными особенностями. Видовые, индивидуальные и другие особенности касаются уровня

рекомбинации. В то же время известны специфические гены, мутации которых поражают способность к рекомбинации. Такие гены у эукариот влияют на спаривание хромосом в мейозе, вследствие чего последние теряют способность к формированию пар в первой фазе мейоза, или на формирование хиазм. У бактерий известно несколько генов rec, продукты которых контролируют генетическую рекомбинацию бактерий. У фагов также обнаружены генетические системы, контролирующие их рекомбинацию. В совокупности все эти данные свидетельствуют о подверженности рекомбинации генетическому контролю.

Генетические рекомбинации детерминируют рекомбинативную (комбинативную) изменчивость организмов.

ЛИНЕЙНЫЙ ПОРЯДОК И ТОНКОЕ СТРОЕНИЕ ГЕНОВ

Представления о расположении генов на хромосомах (в группах сцепления) сводятся к тому, что они располагаются в линейном порядке, причем, чем больше расстояния между генными локусами, тем выше частота кроссинговера между ними, и наоборот. Линейный порядок генов характерен для групп сцепления всех организмов, включая человека, и определяет принципы построения генетических карт хромосом, которые представляют собой графическое изображение расстояний между генами в группах сцепления. Эти расстояния выражают в процентах рекомбинации, поэтому они являются генетическими. Однако их измеряют и в единицах длины ДНК. На основе представлений о линейном расположении генов строят также цитологические карты хромосом, которые позволяют представить локализацию многих генов в физических районах хромосом. В последние годы эти классические методы построения генетических и цитологических карт дополнены секвенированием генов и составлением физических карт.

В конце 20-х гг. XX в. в нашей стране, в коллективе А.С. Серебровского (1892-1948) возникла идея о дробимости гена. Тогда же Н.П. Дубинин открыл у дрозофилы явление ступенчатого аллелизма и на основе результатов изучения этого явления сформулировал представления о сложном строении генов. Эти представления указывали на то, что линейный порядок характерен не только для расположения генов на хромосомах, но и для организации генетического материала внутри генов. В 50-е гг. Г. Понтекорво в Англии

и его сотрудники установили, что у аспергилл ген состоит из многих мутационных мест (сайтов), разделяемых рекомбинацией. Тогда же С. Бензер (США) показал, что у фага Т4 функциональной единицей генетического материала является наименьший сегмент ДНК (800- 1200 пар оснований), мутация которого сопровождается мутантным фенотипом. Этот сегмент был назван цистроном.

Приведенные выше данные показали, что наименьшей генетической единицей является цистрон, который, как стали считать, детерминирует синтез одного полипептида. У прокариот гены функцио- нально активны на всем протяжении. Однако у эукариот сегменты ДНК, соответствующие индивидуальным генам, характеризуются мозаичностью. Эта мозаичность определяется наличием в генах эксонов, кодирующих белки, и интронов, лишь переписываемых в мРНК, но не транслируемых. Во многих генах обнаружено по нескольку интронов.

СОВРЕМЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ГЕНОВ

Как отмечено выше, термин «ген» впервые для обозначения единиц наследственности был введен в литературу в 1909 г. английским генетиком У. Бэтсоном. С самого начала развития хромосомной теории наследственности представления о генах сводились к тому, что последние являются не только единицами наследственности, но и физическими единицами, располагающимися в линейном порядке на хромосомах. В рамках этих представлений в 1950 г. всеобщее признание имели следующие положения:

Ген является крайней единицей структуры. В соответствии с этим положением признавали, что ген нельзя разделить на субъединицы разрывом хромосом или рекомбинацией.

Ген является крайней единицей функции (фенотипического различия). Это положение означало, что ген детерминирует одиночную специфическую функцию в метаболизме или развитии организмов, причем любая специфическая функция не может быть «разделена» на субфункции.

На основе этих положений в то время была сформулирована гипотеза «один ген - один фермент». Между тем позднее оказалось, что белки имеют сложную полипептидную природу. В частности, известны белки, полипептидные цепи которых различны. Например, фермент Е. coli триптофансинтетаза, которая катализирует накопле-

ние индола и серина, являющихся предшественниками триптофана, сформирован таким образом, что одна часть молекулы имеет участок (называемый А), который соединяется с индоловым компонентом индоглицерофосфат, тогда как другая часть имеет участок (называе- мый В), соединяющийся с сериновым компонентом (серии + пиридоксилфосфат). Синтез частей А и В триптофансинтетазы детерминирован различными генами.

Данные о тонком строении генов свидетельствуют, что гипотеза «один ген - один фермент» сохраняет свое содержание и остается справедливой, но лишь в случае ферментов, представляющих собой одиночный полипептид. Данные о тонком строении генов лучше всего укладываются в постулаты «один ген - РНК одного типа, одно семейство родственных полипептидов» или «один ген - одна мРНК, один полипептид». Однако этот постулат имеет исключение, связанное с особенностями фенотипического проявления некоторых генных мутаций. В частности, недавно установлено, что мутации в тирозинкиназном протоонкогене человека сопровождаются одно- временными изменениями четырех фенотипических функций, т. е. одновременным развитием четырех болезней (семейной мозговой тироидной карциономы, множественной эндокринной неоплазмы типа 2А, более острой множественной эндокринной неоплазии типа 2В и болезнью Гиршенранга, характеризующейся отсутствием парасимпатической иннервации толстого кишечника). Следовательно, эти данные могут укладываться в положение «один ген - несколько признаков».

Как было отмечено, большинство эукариотических генов является однокопийными. Тем не менее известны гены, представленные множественными копиями. Например, гены, кодирующие белки- гистоны, у организмов ряда видов существуют почти в сотнях копий, что объясняется необходимостью очень быстрого синтеза гистонов в период эмбрионального развития этих организмов. В большом количестве копий существуют гены, кодирующие синтез белка кератина (основного строительного материала перьев) у кур. Наконец, у всех исследованных позвоночных отмечено наличие значительного количества генов, кодирующих синтез четырех рибосомных РНК.

Размеры (длину) генов измеряют количеством входящих в его состав пар азотистых оснований или в единицах длины. Они весь- ма различны, но в среднем составляют примерно 1000-1050 пар азотистых оснований, или около 357 нм (если исходить из расстоя-

ния в 0,34 нм между парами оснований в двойной спирали ДНК (0,34 χ 1050 = 357 нм). Ген возможно охарактеризовать и в плане его массы. Поскольку молекулярная масса одной нуклеотидной пары в среднем равна 650 дальтон, то масса среднего по размерам гена будет составлять 650 χ 2050 = 680 000 дальтон. Однако у отдельных организмов известны и очень малые гены, размеры которых составляют всего лишь несколько десятков пар азотистых оснований. Например, у Е. faecalis длина отдельных генов составляет всего лишь 66 пар азотистых оснований, а у S. aureus 78 азотистых оснований. Заметим, что средние размеры генов у Е. coli составляют примерно 1000-1100 пар азотистых оснований. Таким образом, в молекулярном плане ген представляет собой сегмент ДНК (последовательность азотистых оснований) определенной длины и массы, который контролирует синтез одного полипептида.

Таблица 12. Некоторые признаки, характерные для детей в семье

Однако гены кодируют не только полипептиды. Отдельные гены кодируют тРНК и рРНК. Поскольку одно азотистое основание тРНК или рРНК кодируется одним азотистым основанием ДНК, то гены,

Рис. 48. Родословная белого тигра Мохана

кодирующие тРНК и рРНК, характеризуются значительно меньшими размерами в сравнении с генами, кодирующими полипептиды.

В научной литературе ген часто аналогизируют с цистроном, под которым понимают наименьшую единицу наследственности. Между геном и цистроном действительно нет существенной разницы, в результате чего эти термины используют на равных правах.

Новейшие представления о тонком строении генов нашли отражение в созданных с помощью молекулярно-генетических методов физических, генетических и цитологических картах геномов растений и животных ряда видов, а также человека. Достоверность представлений о размерах и молекулярной организации генов полностью подтверждена данными генной инженерии.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Универсальны ли законы Менделя и применимы ли они к человеку?

2. Как вы понимаете альтернативные (контрастирующие) признаки, аллель и пару аллелей?

3. Г. Мендель обнаружил, что скрещивания двух чистолинейных растений садового гороха, одно из которых давало семена круглой формы, другое - шероховатые, привело к получению гибридов, дававших семена круглой формы. Скрещивания гибри- дов первого поколения между собой дали начало растениям, семена которых имели круглую форму или шероховатую поверхность. Соотношение между этими растениями было 3:1. О чем свидетельствовали эти результаты?

4. В чем заключались использованные Г. Менделем анализирующие скрещивания и какова их роль?

5. Можно ли предсказать наследование признака, контролируемого двумя аллелями?

6. Что такое наследственность, сцепленная с полом? Приведите примеры наследования пола и признаков, сцепленных с полом.

7. Что такое группы сцепления и как гены располагаются на хромосомах?

8. В 1952 г. в одном из районов Индии был пойман белый тигр (самец), которого затем скрестили с желтым тигром. Потомство от этого скрещивания представлено на рис. 48. Руководствуясь этой родословной, дайте ответы на следующие вопросы:

а) Если допустить, что окраска шерсти контролируется парой аллелей, то является ли этот признак доминантным или доминантность отсутствует?

б) Если окраска шерсти является примером наследования доминантности, то какая окраска (белая или желтая) является доминантным признаком?

в) Определите и запишите, используя какие-либо символы, генотипы тигров Мохана, Самсона, Мохини, Малини и Кришны (см. рис. 48).

г) Каково ожидаемое отношение потомства с желтым шерстным покровом к потомству с белой шерстью, полученного после скрещивания Самсона и Мохини?

д) Какова вероятность рождения четырех желтых и одного белого тигрят в скрещиваниях Самсона и Мохини?

9. В семье N родилось и выросло 16 детей. В табл. 12 приведены некоторые признаки, характерные для каждого из детей, когда они стали взрослыми. Используя эту таблицу, проделайте следующую работу:

а) Установите для каждого из четырех признаков тип наследования (доминантный, рецессивный, полудоминантный, отсутствие доминантности, множественность аллелей, полигенность и т. д.).

б) Определите возможные генотипы и фенотипы по каждому признаку родителей N (отца и матери).

в) Определите вероятность, с которой родились девочки и мальчики в этой семье.

10. Сформулируйте современную концепцию гена. Существует ли разница между геном и цистроном?

11. Что представляет собой мозаичность генов?

12. Гриб Phytophthora castorium, который паразитирует на растениях многих видов, размножается бесполым путем с помощью подвижных зооспор, формируемых в спорангиях на мицелии и половым путем благодаря ооспорам, которые формируются слиянием женских и мужских гамет, тоже формируемых на мицелии. Было найдено, что ооспоры, сформированные в культуре этого гриба после обработки его нитрозогуанидом, неодинаковы по своим свойствам. Одна четверть ооспор давала метионинзависимые колонии, тогда как другие три четверти ооспор напоминали родительский метиониннезависимый штамм. Анализ дальнейших генераций зооспор показал, что все метионинзависимые культуры продуцировали лишь метио-

нинзависимые зооспоры, тогда как метиониннезависимые культуры первой генерации распадались на два класса. Около 2/3 культур характеризовались отношением примерно 3:1 метиониннезависимых и метионинзависимых зооспор, тогда как остающаяся треть вела себя в дальнейших скрещиваниях как фракция метиониннезависимых культур. Зооспоры в каждом случае давали начало колониям, напоминающим колонии тех культур, в которых они были сформированы, независимо от того, нуждались они в метионине или нет. Каково ваше заключение о гаплоидном/диплоидном статусе жизненного цикла грибов? В какое время развития у грибов происходит мейоз?

13. Что вы понимаете под кроссинговером и генетической рекомбинацией? Каково происхождение кроссинговера?

14. Когда две рецессивных мутации а и в сцеплены с рекомбинантной фракцией генов, будут формироваться два вида двойных

ав а +

гетерозигот: цис -и - транс.

++ +в

Сформулируйте предсказание относительно фенотипических отношений между потомством, полученным самоопылением или сиб- скрещиванием по каждому из этих видов двойных гетерозигот.