Федеральная программа книгоиздания России Рецензенты: канд психол наук С. А. Исайчев, доктор биол наук И. И. Полетаева Равич-Щербо И. В. и др. Р12

Вид материала

Программа

Содержание 2. Генотип, ген, аллель XX которые представляют со-ЙЦ о й 4. Норма реакции и диапазон реакции Нормой (диапазоном) реакции

Подобный материал:

• Вестник балтийской педагогической академии вып. 94. – 2010 г. Актуальные проблемы нравственного, 2431.92kb.
• Рецензенты: профессор, доктор психол наук Филонов Л. Б., вед науч сотрудник, канд психол, 2609.63kb.
• Научный выпуск вестник балтийской педагогической академии вып. 29. – 2000 г. Поиск, 1745.18kb.
• Общеобразовательная программа дошкольного образования Авторский коллектив, 5619.19kb.
• Образовательная программа дошкольного образования Москва «Просвещение», 5670.3kb.
• Введенским Игорем Витальевичем Рецензенты доктор психол наук В. А. Лабунская канд психол, 375.9kb.
• Отчет о проведении Международной научной конференции-семинара «Современные методы психологии», 97.76kb.
• Приглашение и программа разнообразие почв и биоты северной и центральной азии, 521.14kb.
• Пояснительная записка, 12621.4kb.
• В организации совместных отношений, 1137.14kb.

54

ную для всех генотипов, найти нельзя. Дело не в обогащенности сред, а в их качественном разнообразии. Сред должно быть много, чтобы у каждого генотипа была возможность найти «свою» среду и реализо­ваться. Однообразная среда, какой бы обогащенной она ни была, бу­дет благоприятствовать развитию только определенных, а не всех ге­нотипов.

2. ГЕНОТИП, ГЕН, АЛЛЕЛЬ

До сих пор мы использовали широкое определение генотипа, а теперь обратимся к его узкому определению. В узком смысле генотип есть совокупность аллелей гена или группа генов, контролирующих развитие и проявление анализируемого признака у данного организма.

Ген (греч. genos — род, происхождение) представляет собой еди­ницу генетического материала. Гены выполняют несколько функций, одна из которых заключается в кодировании первичной структуры полипептида (белка) (гл. IV).

В основе формирования молекулы любого белка лежат всего четы­ре химических вещества, а именно четыре азотистых основания (аде-нин — А, гуанин — G, тимин — Т и цитозин — С). В организме эти азотистые основания — нуклеотиды — образуют дезоксирибонуклеи-новую кислоту (ДНК), а гены представляют собой участки ДНК, раз­личающиеся порядком расположения этих оснований.

У всех живых организмов сходные системы осуществляют сначала транскрипцию (переписывание), а затем трансляцию (перевод) гене­тической информации, хранящейся в генах. Результатом этих двух процессов является производство белков, состоящих из разных ком­бинаций 20 главных аминокислот. Изменение структуры даже одного-единственного гена (мутация) может привести к синтезу видоизме­ненного белка, который во многих случаях утрачивает или меняет свою биологическую функцию. Последствия подобных явлений обна­руживаются как определенный фенотип. Кроме того, часто бывает так, что изменение одного белка вызывает цепную реакцию в орга­низме, приводя к изменению множества фенотипических признаков (так называемый феномен плейотропии).

Мутации (лат. mutatio — изменение) — это внезапные, естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных фенотипических признаков организ­ма. Основы учения о мутациях были заложены голландским ботаником Де Фризом в 1901-1903 гг. Согласно его мутационной теории, мутация возника­ет внезапно, без всяких переходов; мутантные формы представляют собой вполне устойчивые качественные изменения; они действуют в разных на­правлениях и могут быть полезными или вредными; одни и те же мутации могут возникать повторно. Мутации присущи всем живым организмам. Мо­лекулярные механизмы мутаций (гл. IV) стали выясняться с развитием моле­кулярной биологии с середины XX в.

55

Мутации называются прямыми, если их проявление приводит к отклоне­нию признаков от дикого типа (см. далее), и обратными (реверсивными), если их проявление приводит к полному или частичному восстановлению дикого типа.

Существует несколько классификаций мутаций. Нередко мутации разде­ляют на генные (гл. IV и V), хромосомные (гл. I и III) и геномные (гл. Ill) в соответствии с уровнями носителей генетической информации. К генным относятся все мутации, происходящие на уровне нуклеотидов ДНК (или РНК). В такие мутации обычно вовлечен один ген. К хромосомным мутациям отно­сятся хромосомные перестройки, вовлекающие участки хромосом (т.е. не­сколько генов). Наконец, к геномным мутациям относят изменение числа хро­мосом. В зависимости от природы мутаций, их разделяют на спонтанные и индуцированные (гл. III). Кроме того, мутации подразделяют на морфологи­ческие, биохимические, летальные и т.п. (в зависимости от фенотипического проявления мутаций); на доминантные и рецессивные (в зависимости от типа наследования мутантных признаков); на гаметные (генеративные, т.е. проис­ходящие в половых клетках), соматические (происходящие в соматических, т.е. любых неполовых, клетках), ядерные (затрагивающие хромосомы ядра) и цитоплазматические (затрагивающие генетический материал митохондрий, пластид и других цито плазматических органоидов клетки).

Ген может существовать в нескольких структурных состояниях (ал­лелях).

Аллели (греч. allenon — различные формы) — это альтернативные формы гена, определяющие альтернативные формы одного и того же признака. Они возникают в результате изменений структуры гена за счет таких генных процессов, как мутация и рекомбинация (гл. IV, V). Аллели, обусловливающие развитие признаков, типичных для вида, называют аллелями дикого типа, а происходящие от них аллели — мутантными. Качественное отличие аллелей друг от друга проявляет­ся, в частности, на биохимическом уровне. Иными словами, если провести сравнительный биохимический анализ белков, формируе­мых разными аллелями одного гена, то они будут отличаться друг от друга по каким-нибудь признакам, например по составу нуклеотидов (гл. IV). Несколько неточной, но тем не менее иллюстративной анало­гией соотношения понятий «ген» и «аллель» может служить аналогия из ботаники: понятие «ген» в этой аналогии соответствует понятию «семейство», а понятие «аллель» — понятию «конкретное растение, относящееся к этому семейству». Иначе говоря, ген — понятие соби­рательное, «родовое», а его конкретным воплощением является ал­лель, т.е. реально гены существуют только в форме аллелей.

В норме у каждого человека имеется два аллеля каждого гена — по одному аллелю на каждой из хромосом. Но в популяциях (гл. V) каждый ген может встречаться в виде множества аллелей. Наличие нескольких аллелей каждого гена в популяциях обеспечивает определенный уро­вень генетического полиморфизма (например, три аллеля обусловливают существование четырех групп крови у человека) и комбинативной из­менчивости (закон независимого наследования признаков; см.: гл. II).

56

Даже из одной пары аллелей (А, а) можно составить несколько комбинаций (АА, аа, Аа). Когда организм является носителем двух аллелей дикого типа АА или двух мутантных аллелей аа, то говорят, что этот организм гомозиготен* по аллелю А или по аллелю а. Если же организм содержит один аллель А и один аллель а, то его называют гетерозиготным *.

Существует несколько типов взаимодействия аллелей, ведущими среди которых являются доминантность и рецессивность.

Доминантностью называют участие только одного аллеля в опре­делении фенотипического признака у гетерозиготной особи. Этот тип взаимодействия аллелей был открыт еще Г. Менделем в его первых классических опытах (гл. II). Доминантные аллели обозначаются заг­лавными буквами А, В и т.д. При отсутствии доминирования в строгом смысле этого слова (т.е. когда признак, исследуемый у гибрида, не повторяет признак, имеющийся у родителей, при любом сочетании аллелей) обычно различают проявление следующих вариантов фено­типа: неполное доминирование, сверхдоминирование и кодоминант-ность. Типы доминантности отличаются друг от друга по степени вы­раженности фенотипов гомозигот и гетерозигот. При доминантности фенотип гетерозиготы (Аа) повторяет фенотип гомозиготы по доми­нантному аллелю (АА); при неполном доминировании фенотип гете­розиготы Аа по своей выраженности занимает промежуточное поло­жение между фенотипами АА и Аа; при сверхдоминировании наибо­лее сильно фенотипический признак выражается у Аа (сильнее, чем у любой из гомозигот АА и аа); наконец, при кодоминантности в детер­минации признака у гетерозиготы Аа участвуют оба аллеля.

Рецессивностью называют отсутствие фенотипического проявле­ния одного аллеля у гетерозиготной особи, Рецессивные аллели обо­значаются малыми буквами а, в и т.д.

Человек является носителем пары аллелей каждого гена, а по на­следству своим потомкам он передает только один аллель, поскольку половые клетки (яйцеклетка или спермий) содержат по одной хромо­соме каждой пары. Этот механизм обеспечивает случайное переком­бинирование аллелей в каждом последующем поколении, в результа­те чего ни один потомок не воспроизводит полностью генетическую индивидуальность своего родителя. Таким образом, разные аллели со­четаются у конкретного человека только на исторически короткий временной промежуток — на период существования этого человека как организма.

Для нормального развития и функционирования человеческого организма необходима координация усилий, по крайней мере, 100 000 генов. Упрощая ситуацию, представим, что каждый из этих генов имеет, по крайней мере, один вариант, встречающийся только у

* От греческих слов, обозначающих соответственно «подобный» и «непохожий».

57

одного человека из тысячи (т.е. каждый ген имеет два аллеля, один из которых встречается часто, а другой редко). Вероятность того, что у случайно взятого человека не будет найдено редких вариантов ни од­ного из генов, составит (1 - 0,001)¹⁰⁰⁰⁰⁰ = 3,54е^-44, т.е. бесконечно малую величину. Отсюда можно с определенной уверенностью ска­зать, что каждый из нас наверняка отличается от всех своих нерод­ственников по крайней мере одним геном. Обратите внимание на то, что данные расчеты были проделаны при весьма консервативном пред­положении о том, что все гены представлены только двумя альтерна­тивными формами (т.е. каждый ген имеет лишь два аллеля). Однако существует множество генов, для которых сегодня известно множе­ство (иногда до 40) аллелей; большинство из 100 000 генов, необхо­димых для развития человеческого организма, отличаются удивитель­ным богатством альтернативных форм. Если же мы проведем расчеты, подобные проведенным выше, для генов с большим количеством алле­лей, то станет понятно, что вероятность появления двух генетически одинаковых людей, даже родственников, практически нулевая. Можно смело утверждать, что за исключением однояйцевых близнецов, разви­вающихся из одной оплодотворенной яйцеклетки и потому являющих­ся генетически идентичными индивидуумами, мы генетически непов­торимы; генетическая индивидуальность каждого из нас уникальна.

3. ХРОМОСОМЫ

Каким же образом осуществляются хранение и передача по на­следству такого невероятно большого количества генов, вовлеченных в развитие и формирование человеческого организма? В ядре клетки

гены не «свалены в кучу», а организованы в линейные структуры — хромосомы, UII у u t/u и*/ у* у у XX которые представляют со-ЙЦ о й Oft fljl ПО ^б0Й продолговатые вытяну-

тые тельца (рис. 1.1). По сво-

МАЛ AAltVXJt JfX ^{еи ст}ру^ктур^{е все} хромосомы

||И 1111 Oft ПО Л А человека трехчленны, т.е.

ХМ VV хм MA HJL ^сод^ер^жат короткое плечо,

" длинное плечо и центроме-ХУ ру (рис. 1.2). Гены человека

Рис. 1.1. Хромосомы человека. 22 пары ауто- распределены в строго уни-сом, одинаковых у обоих полов, и по одной паре версальном порядке по половых хромосом: XX— у женщин, XY— у 23 парам хромосом; хромо-мужчин (фотография сделана при увеличении сомы, составляющие пару, примерно в 2000 раз). называются гомологичными

хромосомами. Каждая хромо­сома из пары получена от

58

X!! И П Ш U П П



Рис. 1.2. 23 пары хромосом человека.

Короткое плечо (вверх от центромеры) — плечо р, длинное плечо (вниз от центроме­ры) — плечо q. Окрашенные с помощью специальных химических веществ диски на хромосомах используются для опознания хромосом и описания хромосомных коорди­нат генов. Хромосомные координаты задаются посредством упоминания номера хро­мосомы, ее плеча и номера диска. Например, символ 6р25 означает: диск 5 на локусе 2 короткого плеча хромосомы 6. XY— половые хромосомы

59

одного из родителей, т.е. одна хромосома в организм человека прихо­дит от отца, вторая — от матери. Двадцать две пары хромосом называ­ются аутосомами, их набор одинаков для особей мужского и женско­го полов. Двадцать третья пара — это пара, которая определяет пол и соответственно различается по своей структуре у мужчин и женщин: женщины являются носителями двух Х-хромосом, а мужчины — од­ной Х- и одной Y-хромосомы (рис, 1.2).

Число хромосом в клетках тела человека в два раза больше, чем в его половых клетках — гаметах. Следовательно, в гамете каждый ген представлен только одной копией; иначе говоря, каждая гамета со­держит лишь один аллель данного гена. В процессе формирования га­мет хромосомный набор делится случайным образом надвое, хромо­сомы каждой пары расходятся по разным половым клеткам, и каждая гамета получает, таким образом, случайный набор хромосом, а сле­довательно, случайный набор генов.

При слиянии гамет образуется зигота — оплодотворенная яйце­клетка, в которой оказывается по две хромосомы каждого типа, обра­зующие пары гомологичных хромосом — по одной от мужской и жен­ской гаметы. Оплодотворенное яйцо диплоидно, как и подавляющее большинство клеток организма, которому (путем клеточного деле­ния, или митоза) оно дает начало; диплоидны, в частности, и те клетки, из которых затем образуются гаметы. Каждая из таких гамето-образующих клеток претерпевает особое деление — мейоз. В процессе мейоза гомологичные хромосомы обмениваются участками (кроссин-говер), так что четыре гаметы, происходящие от клетки-прародите­ля, могут содержать разные комбинации генов. Этот обмен — одна из многих «лотерей» наследственности, разыгрываемых природой (под­робнее об этом — в гл. IV). Еще одна «лотерея» разыгрывается, напри­мер, в момент встречи мужской и женской клеток. Если не принимать в расчет кроссинговер, то теоретически может возникнуть 223 , т.е. при­мерно 8 миллионов, различных равновероятных комбинаций хромо­сом. Следовательно, при оплодотворении число равновероятных ком­бинаций может достигать 8^-10х 8^-10= 64' 1012 (64 триллиона комби­наций). Кто из нас может представить себе такое число? Таков еще один «прием» природы, обеспечивающий нашу неповторимость: каж­дый из нас, как и наши родители, дедушки, бабушки и их предки, является продуктом уникальной генетической комбинации.

Митоз (греч. mitos — нить) происходит следующим образом: в процессе деления клетки делятся на две «дочерние клетки», каждая из которых, в свою очередь, еще раз делится на две клетки, и т.д. Биологическое значение мито­за состоит в строго одинаковом распределении редуплицированных (точно скопированных) хромосом между дочерними клетками, что обеспечивает об­разование генетически равноценных клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений.

Большинство клеток нашего организма проходят типичный клеточный цикл, длящийся в среднем примерно 24 часа (примерно 8 часов занимает стадия

60

начального роста клетки; примерно 6 часов — репликация хромосом, во вре­мя которой активно синтезируется ДНК; примерно 5 часов — вторичный рост клетки, и, наконец, непосредственный процесс образования двух дочерних клеток занимает примерно час). Другие клетки делятся только в ограничен­ный период времени (например, нейробласты, предшественники нервных кле­ток) или только вследствие повреждения (например, клетки печени).

Мейоз (греч. meiosis — уменьшение) представляет собой особый способ деления клеток, приводящий к редукции числа хромосом и к переходу клетки из диплоидного состояния в гаплоидное. В результате мейоза формируются половые клетки — гаметы. Как и в митозе, этот процесс начинается с удво­ения количества хромосом, но каждая клетка при мейозе делится дважды, поэтому исходная диплоидная (т.е. создающая парные хромосомы) клетка производит 4 гаметы, каждая из которых содержит гаплоидное число хромо­сом (по одной хромосоме из каждой пары). Один из членов каждой гомологи­ческой хромосомной пары попадает в одну из производимых гаметных клеток.

Хромосомный набор (число, размер, форма хромосом) человека называется его кариотипом. Обычно описание хромосомного набора проводится на определенных стадиях митоза. В это время их фиксиру­ют, окрашивают, и тогда каждая хромосома становится отчетливо видимой. На рис. 1.3 изображена микрофотография хромосом челове­ка (мужчины): их 46, или 23 пары, включая одну пару половых хромо­сом (Х- и Y-хромосомы).

Несмотря на то что мейоз и митоз - процессы чрезвычайно точ­ные, в ходе деления клетки возможны ошибки. Хромосомные ошибки называются хромосомными аберрациями (или хромосомными перестрой­ками), они ведут к искажению нормального кариотипа человека. По­добные ошибки возникают спонтанно, но чаще под влиянием опре-

деленных средовых факторов (так называемых мутагенов). Различают два вида хромосом­ных перестроек: а) перестрой­ки, затрагивающие одну хро­мосому, это — делеции, дефи-шенсы (концевые нехватки хромосом), дупликации, ин­версии, и б) перестройки, зат­рагивающие две хромосомы — транслокации, в основе кото­рых лежит обмен участками между негомологичными хро­мосомами.

В некоторых случаях в ходе мейоза хромосомы не расхо­дятся, и одна из гамет полу­чает две копии одной хромосомы, а другая — ни одной.

6





При слиянии гаметы, содержа­щей «лишнюю» хромосому, с нормальной гаметой развивает­ся организм, содержащий три копии одной хромосомы. Этот феномен известен под названи­ем трисомия (подробнее о нем см. гл. II, IV). Рис. 1.4 воспроиз­водит микрофотографию кари­отипа человека с трисомией хромосомы 15. При слиянии же нормальной гаметы с гаметой, потерявшей в мейозе одну из хромосом, развивается орга­низм, содержащий только одну копию данной хромосомы. Это явление называется моносомией.

Хромосомы имеют очень сложное строение, но уже в

1924 г., не зная об этих сложностях, биолог Р. Фёльген показал, что в них содержится ДНК. Однако ученым понадобилось еще несколько десятилетий, чтобы соотнести ДНК с так называемыми «единицами наследственности» и прийти к выводу, что ДНК организована и гены (о структуре ДНК — в гл. IV), которые, в свою очередь, располагают­ся в линейном порядке на хромосомах. Распределение генов по хро­мосомам неравномерно: на некоторых хромосомных участках концен­трация генов высока, на других - относительно низка.

Каждый ген имеет свои хромосомные координаты. Для удобства обозначения этих координат хромосомы поделены на специальные единицы, называемые локусами. Локусы неодинаковы по своей дли­не, но, тем не менее, они используются как специальные «дорожные столбы», обозначающие дистанции, пройденные по хромосоме. Если принять длину всех хромосом генома человека за 100%, то гены, кон­тролирующие синтез белков (так называемые структурные гены), со­ставят примерно 5% всего хромосомного материала. Среди остальных 95% относительно небольшая часть его организована в гены-регуля­торы, т.е. гены, управляющие активностью других генов. Насколько сегодня известно, большая часть хромосом состоит из последователь­ностей нуклеотидов, вообще ничего не кодирующих.

4. НОРМА РЕАКЦИИ И ДИАПАЗОН РЕАКЦИИ

Еще два понятия, овладение которыми чрезвычайно важно для правильного понимания отношений между генотипом и фенотипом, — это «норма реакции» и «диапазон реакции». Семантические поля этих

62

двух понятий близки, однако между ними существуют весьма значи­мые различия. Описывая далее взаимоотношения между этими поня­тиями, мы сначала остановимся на том, что является для них общим, а затем — на их отличительных признаках.

Общее в понятиях нормы и диапазона реакции заключается в сле­дующем. Нормой (диапазоном) реакции данного генотипа называется система, описывающая множество фенотипов, существование кото­рых потенциально возможно в том случае, если данный генотип будет находиться во взаимодействии с определенными средами. Понятия и нормы, и диапазона реакции предполагают, что каждый генотип ас­социируется с определенным, характерным для него, рядом феноти­пов, формирующихся в разных средах. Упрощенно понятие нормы (диапазона) реакции можно представить следующим образом:

Различия в понятиях нормы и диапазона реакции состоят в следу­ющем. Рассмотрим гипотетический пример, касающийся фенотипи-ческого признака, который отражает какие-то специфические спо­собности. Предположим, существует 4 генотипа (1, 2, 3, 4), и все эти генотипы могут быть одновременно помещены в разные типы сред, отличающиеся друг от друга по уровню разнообразия и обогащеннос-ти. Схематически эта ситуация отражена на рис. \.5а. По оси абсцисс отложены «уровни» среды, а по оси ординат — условные фенотипи-ческие значения. Согласно рисунку, в обедненной среде разброс фе-нотипических значений относительно мал, и четыре генотипа прояв-

63





Рис. 1.5. Схематическое изображение зависимости фенотипических зна­чений от типов генотипа и среды, в которой данный генотип развивается.

а— Схематическая иллюстрация понятия «диапазон реакции» (ДР). Диапазон реакции обозначает разницу между фенотипическими значениями определенного генотипа в разных типах сред [по: Gottesman, 1963]. б — Схематическая иллюстрация понятия «норма реакции». Один и тот же генотип (Генотип₅ и Генотип₆) в разной среде дает разные фенотипы.

ляются в фенотипах, мало отличающихся друг от друга. Разброс фе­нотипических значений существенно возрастает в типичной среде и достигает максимума в среде обогащенной. Разница между значения­ми данного генотипа в обедненной и обогащенной средах называется диапазоном реакции этого генотипа.

Обратите внимание: понятие диапазона реакции подразумевает сохранение рангов фенотипических значений генотипов в разных сре-довых условиях. Например, Генотип1 ассоциируется с низкими фено­типическими значениями и в обедненной, и в обогащенной средах, в то время как Генотип4 является наиболее «процветающим» в любой среде. Соответственно, диапазон реакции Генотипа1 — наименьший,