eng
Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
Посвящение редактора .................................................................................................. 21
Предисловие .................................................................................................................. 22
Цели ............................................................................................................................ 22
Новое в данном издании .............................................................................................. 23
Обновленный материал ............................................................................................... 23
Акцент на основных концепциях ................................................................................ 25
Акцент на решение задач ............................................................................................. 26
Тематические разделы .................................................................................................. 26
Информация для преподавателей ............................................................................... 27
Практическая генетика – электронный адрес –
http://www.masteringgenetics.com .......................................................................... 27
Программное обеспечение для компьютерного тестирования
TestGen EQ (O-321-185720-8) ............................................................................ 28
Информация для студентов ......................................................................................... 28
Учебник и решебник для студентов, автор Гарри Никла,
Университет Крейгтона (Эмеритус) (0-321 185721-6) ...................................... 28
Практическая генетика – электронный адрес –
http://www.masteringgenetics.com .......................................................................... 28
Благодарности .............................................................................................................. 29
Рецензенты ......................................................................................................... 29
Соисполнители .................................................................................................. 29
Вклад в редактирование и выпуск книги .......................................................... 30
Глава 1. Введение в генетику ......................................................................................... 31
Содержание главы ........................................................................................................ 31
1.1.
У генетики богатая интересная история ........................................................... 33
1600
–1850-е годы: на заре современной биологии ........................................... 34
Чарльз Дарвин и эволюция ............................................................................... 34
1.2.
Менее чем за век генетика выросла от законов Менделя до структуры ДНК . 35
Труды Менделя по передаче признаков потомству .......................................... 35
Хромосомная теория наследственности: законы Менделя и мейоз ................ 35
Генетическая изменчивость ............................................................................... 38
Поиск химической природы генов: ДНК или белок? ...................................... 38
1.3.
Открытие двойной спирали стало началом эры молекулярной генетики ....... 39
Структура нуклеиновых кислот ........................................................................ 39
Экспрессия генов: от ДНК к фенотипу ............................................................ 40
Белки и их биологические функции ................................................................. 41
Связь генотипа с фенотипом: серповидноклеточная анемия .......................... 41
1.4.
Развитие технологии рекомбинантных ДНК стало основой
для клонирования ДНК ..................................................................................... 43
1.5.
Значение биотехнологии постоянно возрастает............................................... 43
Растения, животные и обеспечение продуктами питания ............................. 43
Биотехнология в генетике и медицине ............................................................. 45
1.6.
Геномика, протеомика и биоинформатика –
новые быстро развивающиеся дисциплины ..................................................... 45
1.7.
В генетических исследованиях используются модельные организмы ............ 47
Модельные организмы в современной генетике .............................................. 47
Модельные организмы и болезни человека ..................................................... 48
1.8.
Мы живем в эру генетики .................................................................................. 49
Нобелевские премии в области генетики ........................................................ 49
Генетика и общество .......................................................................................... 50
Генетика, технология и общество. Научные и этические последствия
достижений современной генетики ............................................................................ 51
Задачи и вопросы для обсуждения .............................................................................. 52
Глава 2. Митоз и мейоз .................................................................................................. 54
Содержание главы ........................................................................................................ 54
2.1.
Структура клетки тесно связана с генетической функцией ............................. 55
2.2.
Гомологичные хромосомы, гаплоидия и диплоидия ........................................ 57
2.3.
Митоз и деление клетки .................................................................................... 60
Интерфаза и клеточный цикл ........................................................................... 61
Профаза .............................................................................................................. 62
Прометафаза и метафаза ................................................................................... 64
Анафаза .............................................................................................................. 65
Телофаза ............................................................................................................. 65
Регуляция клеточного цикла и сверочные точки ............................................ 66
2.4.
В результате мейоза формируются гаплоидные гаметы и споры, а также
повышается генетическая изменчивость видов ............................................... 67
Метафаза, анафаза и телофаза I ........................................................................ 69
Второе деление мейоза ...................................................................................... 70
2.5.
Сперматогенез и овогенез ................................................................................. 70
2.6.
Мейоз имеет решающее значение для полового размножения
всех диплоидных организмов ............................................................................ 72
2.7.
Цитологическая структура митотических и мейотических хромосом,
выявляемая под электронным микроскопом ................................................... 73
Исследовательская геномика. PubMed: поиск и хранение
биомедицинской литературы ...................................................................................... 75
Примеры решения задач .............................................................................................. 76
Задачи и вопросы для обсуждения .............................................................................. 77
Глава 3. Менделевская генетика ................................................................................... 79
Содержание главы ........................................................................................................ 79
3.1.
При исследовании закономерностей наследования признаков
Мендель использовал экспериментальную модель .......................................... 80
3.2.
Моногибридное скрещивание показывает,
как передается из поколения в поколение один признак ................................ 81
Три первых постулата Менделя ......................................................................... 82
Современная терминология .............................................................................. 84
Решетка Пеннета ............................................................................................... 84
Контрольное скрещивание: один признак ....................................................... 87
3.3.
Менделевское дигибридное скрещивание дает уникальное
соотношение признаков в F2 ............................................................................ 87
Четвертый постулат Менделя: независимое комбинирование ........................ 88
Контрольное скрещивание: два признака ........................................................ 91
3.4.
Тригибридное скрещивание показывает, что законы Менделя
применимы к наследованию множественных признаков ................................ 92
Метод разветвлений ........................................................................................... 93
3.5.
Повторное открытие законов Менделя в начале двадцатого века ................... 94
Корреляция между менделевскими единичными факторами
и поведением хромосом в процессе мейоза ...................................................... 95
3.6.
Независимое комбинирование ведет
к широкой генетической изменчивости ........................................................... 97
3.7.
Теория вероятности помогает объяснить генетические события .................... 98
3.8.
Критерий хи-квадрат оценивает влияние случайностей
на генетические данные .................................................................................... 99
Вычисления методом хи-квадрат и нулевая гипотеза ...................................... 99
Интерпретация значений вероятности ........................................................... 102
3.9.
Родословные дают картину наследования признаков у человека.................. 103
Условные обозначения в родословных ........................................................... 103
Исследовательская геномика. Менделевское наследование у человека он-лайн ... 106
Примеры решения задач ............................................................................................ 107
Задачи и вопросы для обсуждения .............................................................................111
Глава 4. Отклонения от пропорций Менделя ................................................................115
Содержание главы ......................................................................................................115
4.1.
Аллели изменяют фенотипы различными способами ....................................116
4.2.
Для обозначения аллелей генетики используют различные символы ...........117
4.3.
При неполном, или частичном доминировании
ни один из аллелей не доминирует полностью ................................................118
4.4.
При кодоминировании в гетерозиготном состоянии проявляются
оба аллеля ..........................................................................................................119
4.5.
В популяции могут существовать множественные аллели гена..................... 120
Группа крови ABO ............................................................................................ 120
Фенотип крови Бомбей ....................................................................................121
Локус white у Drosophila .................................................................................... 122
4.6.
Летальные аллели относятся к жизненно важным генам .............................. 123
4.7.
Комбинации двух пар генов с двумя типами
наследования изменяют соотношение 9 : 3 : 3 : 1 ........................................... 124
4.8.
Обычно на фенотип влияет не один ген ......................................................... 126
Эпистаз ............................................................................................................. 126
Новые фенотипы ..............................................................................................131
Другие примеры отклонений от пропорций дигибридных скрещиваний .... 132
4.9.
Анализ комплементации позволяет выяснить, являются ли мутации,
определяющие сходный фенотип, аллелями одного гена ............................. 133
4.10.
Экспрессия единственного гена с множественным фенотипическим
эффектом ......................................................................................................... 134
4.11.
Х-сцепление обозначает гены, локализованные на Х-хромосоме ................ 135
X-сцепленные гены у Drosophila ...................................................................... 135
Х-сцепленное наследование у человека ......................................................... 137
4.12.
Ограниченное полом и зависящее от пола наследование
признаков, пол индивида влияет на его фенотип .......................................... 139
4.13.
На экспрессию генов в фенотипе влияют
генетический фон и окружающая среда ..........................................................141
Пенетрантность и экспрессивность .................................................................141
Генетический фон: эффект положения ........................................................... 142
Температурные эффекты – понятие о кондиционных мутациях .................. 143
Проявление экспрессии генов ........................................................................ 144
Генетическая антисипация .............................................................................. 144
4.14.
Геномный (родительский) импринтинг и сайленсинг генов ......................... 145
4.15.
Внеядерная наследственность изменяет менделевские пропорции .............. 146
Органельная наследственность: ДНК хлоропластов и митохондрий ............ 147
Хлоропласты: пятнистость растений ночной красавицы .............................. 147
Митохондриальные мутации: poky у нейроспоры и petite у дрожжей ........... 148
Митохондриальные мутации: генетические заболевания человека .............. 149
Материнский эффект ...................................................................................... 150
Пигментация у Ephestia ................................................................................... 150
Эмбриональное развитие у Drosophila ..............................................................151
Генетика, технология и общество. Генетическое улучшение пород собак ............... 152
Примеры решения задач ............................................................................................ 154
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 157
Глава 5. Определение пола и половые хромосомы ....................................................... 164
Содержание главы ...................................................................................................... 164
5.1.
Половая дифференцировка и жизненный цикл ............................................. 165
Кукуруза (Zea mays) .......................................................................................... 165
Круглый червь Caenorhabditis elegans ............................................................... 167
5.2.
Открытие в начале двадцатого века Х- и Y-хромосом, сцепленных с полом .. 168
5.3.
Хромосомное определение пола у человека ................................................... 170
Синдромы Клайнфельтера и Тернера ............................................................. 170
Синдром 47,ХХХ ...............................................................................................171
Синдром 47,ХYY ...............................................................................................171
Половая дифференцировка у человека ........................................................... 172
Y-хромосома и мужской тип развития ............................................................ 173
5.4.
Соотношение полов у человека не равно единице ......................................... 175
5.5.
Дозовая компенсация предотвращает избыточную экспрессию
Х-сцепленных генов у человека и других млекопитающих ........................... 176
Тельца Барра ..................................................................................................... 176
Гипотеза Лайон ................................................................................................. 178
Механизм инактивации хромосом .................................................................. 179
5.6.
Хромосомное определение пола у Drosophila .................................................. 180
5.7.
Определение пола у рептилий в зависимости от температуры ...................... 183
Генетика, технология и общество. Проблема пола: половой отбор у человека ....... 184
Примеры решения задач ............................................................................................ 186
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 187
Глава 6. Хромосомные мутации: количественная и структурная изменчивость ........... 190
Содержание главы ...................................................................................................... 190
6.1.
Количественные изменения хромосом: терминология и происхождение .....191
6.2.
Моносомия и трисомия приводят к разнообразным проявлениям
в фенотипе ........................................................................................................ 193
Моносомия....................................................................................................... 193
Трисомия .......................................................................................................... 193
Синдром Дауна ................................................................................................ 194
Происхождение добавочной хромосомы 21 при синдроме Дауна ................. 195
Жизнеспособность анеуплоидов у человека ................................................... 197
6.3.
У растений преобладает полиплоидия, при которой в кариотипе
имеется более двух гаплоидных наборов хромосом ....................................... 198
Аутополиплоидия ............................................................................................. 199
Аллоплоидия .................................................................................................... 200
6.4.
Структурная изменчивость хромосом: обзор ................................................. 202
6.5.
Делеции ............................................................................................................ 203
Синдром кошачьего крика .............................................................................. 204
6.6.
Дупликация ...................................................................................................... 205
Амплификация генов рРНК ............................................................................ 205
Мутация Bar у Drosophila .................................................................................. 206
Роль дупликации генов в эволюции ................................................................ 206
6.7.
Инверсии реорганизуют линейную последовательность генов ..................... 207
Последствия инверсий в процессе гаметогенеза ............................................ 208
Эволюционные преимущества инверсий ....................................................... 210
6.8.
Транслокации изменяют локализацию хромосомных фрагментов в геноме 210
Транслокация у человека: семейный синдром Дауна ......................................211
6.9.
Ломкие сайты человеческих хромосом восприимчивы к разрывам .............. 213
Синдром ломкой Х-хромосомы (синдром Мартина–Белла) ........................ 213
Связь между ломкими сайтами и раком ......................................................... 214
Генетика, технология и общество. Синдром Дауна и пренатальная
диагностика – новая евгеника? ................................................................................. 215
Примеры решения задач ............................................................................................ 217
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 218
Глава 7. Сцепление генов и хромосомное картирование у эукариот ............................ 222
Содержание главы ...................................................................................................... 222
7.1.
Сцепление и независимое распределение генов ............................................ 223
Сцепление генов .............................................................................................. 224
7.2.
Неполное сцепление, кроссинговер и хромосомное картирование .............. 227
Работы Моргана по кроссинговеру ................................................................. 227
Работы Стертеванта по картированию генов ................................................. 228
Одиночный кроссинговер ............................................................................... 230
7.3.
Для определения последовательности генов нужен анализ
множественных кроссинговеров ..................................................................... 231
Множественный кроссинговер ....................................................................... 231
Трехлокусное картирование у Drosophila ......................................................... 232
Определение последовательности генов ......................................................... 235
Решение проблем картирования аутосом ....................................................... 237
7.4.
С увеличением расстояния между двумя генами хромосомная карта
становится менее точной ................................................................................. 240
Интерференция и коэффициент коинцедентности ....................................... 240
7.5.
Хромосомное картирование с использованием ДНК-маркеров
и аннотированных компьютерных баз данных............................................... 242
7.6.
Рекомбинация генов ........................................................................................ 243
Кроссинговер – это физический обмен между хроматидами ........................ 243
Сестринские хроматидные обмены между митотическими хромосомами ... 244
7.7.
Учитывал ли Мендель сцепление генов? ........................................................ 246
Исследовательская геномика. Карты хромосом человека в Интернете .................. 247
Примеры решения задач ............................................................................................ 248
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 251
Глава 8. Картирование генов у бактерий и бактериофагов .......................................... 257
Содержание главы ...................................................................................................... 257
8.1.
Мутации у бактерий и рост популяции бактериальных клеток ..................... 258
8.2.
Генетическая рекомбинация у бактерий: конъюгация ................................... 259
Конъюгация бактерий: открытие F+ и F–-типов ............................................ 260
Бактериальные штаммы Hfr и хромосомное картирование........................... 262
Рекомбинация в скрещиваниях F+ × F–: анализ результатов ......................... 267
F'-элемент и мерозиготы ................................................................................. 267
8.3.
Rec-белки и рекомбинация у бактерий........................................................... 269
8.4.
F-факторы и плазмиды .................................................................................... 270
8.5.
Трансформация – это еще один процесс,
приводящий к генетической рекомбинации у бактерий ................................ 271
Трансформация и сцепленные гены ............................................................... 271
8.6.
Генетические исследования бактериофагов ................................................... 272
Фаг Т4: структура и жизненный цикл ............................................................. 273
Метод бляшек .................................................................................................. 274
Лизогения ......................................................................................................... 276
8.7.
Трансдукция: перенос бактериальной ДНК вирусом ..................................... 276
Эксперимент Зиндера–Ледерберга ................................................................. 276
Природа трансдукции ...................................................................................... 278
Трансдукционное картирование ..................................................................... 279
8.8.
Межгенная рекомбинация и картирование у бактериофагов ........................ 279
Мутации у бактериофагов ............................................................................... 280
Картирование генов у бактериофагов ............................................................. 281
Генетика, технология и общество. От холерных генов к съедобным вакцинам ...... 282
Примеры решения задач ............................................................................................ 284
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 285
Глава 9. Анализ состава и структуры ДНК .................................................................. 287
Cодержание главы ...................................................................................................... 287
9.1.
Характеристика генетического материала ...................................................... 288
9.2.
Первые исследования генетического материала ............................................ 289
9.3.
Доказательство ведущей роли ДНК у бактерий и бактериофагов ................. 290
Опыты по трансформации .............................................................................. 290
Эксперимент Херши–Чейз ............................................................................. 293
Опыты по трансфекции ................................................................................... 296
9.4.
Прямые и непрямые доказательства значения ДНК у эукариот ................... 296
Непрямое доказательство: распределение ДНК ............................................. 297
Непрямое доказательство: мутагенез .............................................................. 297
Прямое доказательство: анализ рекомбинантных ДНК ................................ 298
9.5.
РНК в качестве генетического материала некоторых вирусов ...................... 299
9.6.
Структурный анализ ДНК ............................................................................... 299
Химия нуклеиновых кислот ............................................................................ 300
Химический состав оснований ....................................................................... 303
Рентгеновский дифракционный анализ ......................................................... 303
Модель Уотсона–Крика .................................................................................. 303
9.7.
Альтернативные формы ДНК ......................................................................... 308
9.8.
Структура РНК ................................................................................................ 309
9.9.
При исследовании ДНК и РНК используется множество
аналитических методов .................................................................................... 310
Кинетика реассоциации и повторяющаяся ДНК ............................................311
Электрофорез ................................................................................................... 312
Исследовательская геномика. Ведение в биоинформатику: BLAST ....................... 314
Примеры решения задач ............................................................................................ 316
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 316
Глава 10. Репликация и синтез ДНК ........................................................................... 320
Содержание главы ...................................................................................................... 320
10.1.
Способ репликации ДНК ................................................................................ 321
Эксперимент Мезелсона–Сталя ..................................................................... 323
Полуконсервативная репликация у эукариот ................................................. 325
Точки начала репликации, репликационные вилки и единицы репликации .... 325
10.2.
В синтезе ДНК у бактерий участвуют пять полимераз,
а также другие ферменты ................................................................................. 328
ДНК-полимераза I ........................................................................................... 328
ДНК-полимеразы II, III, IV и V ...................................................................... 329
10.3.
При репликации ДНК требуется решать множество сложных задач ............ 332
Раскручивание спирали ДНК .......................................................................... 332
Инициация синтеза ДНК ................................................................................ 333
Прерывистый и непрерывный синтез ДНК ................................................... 334
Конкурентный синтез ведущей и отстающей цепей ДНК ............................. 335
Проверка и коррекция ошибок в процессе репликации ДНК ...................... 336
10.4.
Когерентная модель синтеза ДНК .................................................................. 336
10.5.
Генетический контроль репликации ............................................................... 337
10.6.
Синтез ДНК у эукариот ................................................................................... 338
Множественные точки начала репликации .................................................... 338
Mножественные эукариотические ДНК-полимеразы ................................... 339
Репликация хроматина .................................................................................... 340
10.7.
Концы линейных хромосом создают проблемы при репликации ................. 341
Структура теломер ........................................................................................... 341
Репликация теломер ........................................................................................ 341
10.8.
Рекомбинация ДНК ......................................................................................... 344
Генетика, технология и общество. Теломераза – ключ к бессмертию? .................... 347
Примеры решения задач ............................................................................................ 349
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 349
Глава 11. Структура хромосом и организация ДНК-последовательности ................... 352
Содержание главы ...................................................................................................... 352
11.1.
Вирусные и бактериальные хромосомы – это сравнительно
простые молекулы ДНК .................................................................................. 353
11.2.
Митохондрии и хлоропласты содержат ДНК, близкую
к бактериальной и вирусной............................................................................ 356
Молекулярная организация и продукты генов
митохондриальной ДНК.................................................................................. 356
Молекулярная организация и продукты генов хлоропластов........................ 357
11.3.
Изменчивая организация ДНК в специализированных хромосомах ............ 358
Политенные хромосомы .................................................................................. 358
Хромосомы типа ламповых щеток .................................................................. 360
11.4.
Организация эукариотического хроматина .................................................... 361
Структура хроматина и нуклеосом .................................................................. 361
Реконструкция хроматина ............................................................................... 365
Гетерохроматин ................................................................................................ 366
Дифференциальное окрашивание хромосом ................................................. 366
11.5.
В геномах эукариот имеются сложно организованные
последовательности с повторами ДНК .......................................................... 367
ДНК-повторы и сателлитная ДНК ................................................................. 367
Последовательности ДНК центромерных участков хромосом ...................... 369
Теломерные последовательности ДНК ........................................................... 370
ДНК-повторы средней длины: VNTR и STRs ................................................ 371
Короткие и длинные рассеяные повторы: SINE и LINE ............................... 371
Множественные копии генов средней длины ................................................ 372
11.6.
Значительная часть генома эукариот не кодирует функциональных генов .. 372
Исследовательская геномика. База данных для геномных вариантов:
структурная изменчивость генома человека ............................................................. 373
Примеры решения задач ............................................................................................ 375
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 375
Глава 12. Генетический код и транскрипция ................................................................ 378
Содержание главы ...................................................................................................... 378
12.1.
Характеристика генетического кода ............................................................... 379
12.2.
Первые представления о генетическом коде .................................................. 380
Триплетность кода ........................................................................................... 380
12.3.
Расшифровка кода ........................................................................................... 381
Бесклеточный синтез белка ............................................................................. 381
Использование гомополимеров ...................................................................... 382
Смесь кополимеров ......................................................................................... 383
Метод связывания триплетов .......................................................................... 384
Повторяющиеся кополимеры ......................................................................... 386
12.4.
Кодовый словарь .............................................................................................. 388
Вырожденность кода и гипотеза качания ....................................................... 388
Упорядоченность генетического кода ............................................................. 389
Инициация и терминация синтеза белка........................................................ 390
12.5.
Доказательство генетического кода с помощью фага MS2 ............................ 390
12.6.
Универсальность генетического кода ............................................................. 391
12.7.
Различные точки инициации трансляции создают перекрывание генов ..... 392
12.8.
Транскрипция: ДНК-зависимый синтез РНК ................................................ 393
12.9.
РНК-полимераза.............................................................................................. 393
Промоторы, связывание их с ДНК-матрицей и σ-субъединица ................... 395
Инициация транскрипции, элонгация и терминация РНК .......................... 396
12.10.
Транскрипция у эукариот ................................................................................ 397
Инициация транскрипции у эукариот ............................................................ 398
Гетерогенные ядерные РНК и их процессинг: кэпы и хвосты ....................... 399
12.11.
Интроны и прерывистые гены ........................................................................ 400
Механизм сплайсинга: самосплайсирующиеся РНК ..................................... 402
Механизмы сплайсинга: сплайсосома ............................................................ 403
12.12.
Транскрипцию визуализировали под электронным микроскопом ............... 405
Генетика, технология и общество. Сайленсинг генов на уровне
нуклеиновых кислот: атака мессенджера .................................................................. 406
Примеры решения задач ............................................................................................ 408
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 408
Глава 13. Трансляция и белки .................................................................................... 413
Содержание главы ...................................................................................................... 413
13.1.
Трансляция: необходимые для синтеза белков
компоненты и транспортные РНК ................................................................. 414
Структура рибосом .......................................................................................... 414
Структура тРНК ............................................................................................... 416
Зарядка молекул тРНК .................................................................................... 418
13.2.
Процесс трансляции ........................................................................................ 419
Инициация ....................................................................................................... 419
Элонгация ........................................................................................................ 421
Терминация ...................................................................................................... 423
Полирибосомы ................................................................................................. 423
13.3.
Детали функционирующей прокариотической рибосомы
обнаружились при структурном анализе с высоким разрешением ............... 425
13.4.
Трансляция у эукариот .................................................................................... 426
13.5.
Белки, наследственность и обмен веществ ..................................................... 427
13.6.
Гипотеза: один ген – один фрагмент ............................................................... 428
Опыты Бидла и Татума с мутантами Neurospora.............................................. 428
13.7.
Один ген – одна полипептидная цепь ............................................................ 429
Серповидноклеточная анемия ........................................................................ 431
13.8.
Структура и биологическое разнообразие белков .......................................... 433
Фолдинг белков и его нарушение ................................................................... 436
13.9.
Функции белков ............................................................................................... 437
Белковые домены ............................................................................................. 437
Исследовательская геномика. Программы Translatе Tools и Swiss-Protein
для изучения аминокислотных последовательностей в белках ............................... 438
Пример решения задач .............................................................................................. 439
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 440
Глава 14. Генные мутации, репарация ДНК и мобильные элементы ............................ 442
Содержание главы ...................................................................................................... 442
14.1.
Различные классификации генных мутаций .................................................. 443
Спонтанные и индуцированные мутации ...................................................... 444
Классификация мутаций по их локализации ................................................. 444
Классификация мутаций по типу молекулярных изменений ........................ 445
Классификация мутаций по фенотипическим проявлениям ........................ 446
14.2.
Спонтанные мутации возникают в результате ошибок репликации
и модификации оснований ............................................................................. 447
Ошибки репликации и проскальзывающая репликация ДНК ...................... 447
Таутомерные сдвиги ......................................................................................... 448
Депуринизация и дезаминирование ............................................................... 448
Оксидативные повреждения ........................................................................... 450
14.3.
Химические вещества и радиация индуцируют повреждение ДНК
и мутации ......................................................................................................... 451
Аналоги оснований .......................................................................................... 451
Алкилирующие, интеркалирующие и аддукт-формирующие агенты ........... 451
Ультрафиолет .................................................................................................... 453
Ионизирующая радиация ................................................................................ 453
14.4.
Моногенные мутации вызывают широкий спектр
заболеваний у человека .................................................................................... 455
14.5.
Исправление повреждений ДНК: системы репарации .................................. 456
Репарация ошибок репликации ...................................................................... 456
Пострепликационная репарация и ситема SOS-репарации .......................... 457
Фотореактивная репарация у прокариот ........................................................ 459
Эксцизионная репарация оснований и нуклеотидов .................................... 459
Эксцизионная репарация нуклеотидов у человека
и пигментная ксеродерма ................................................................................ 461
Репарация разрывов двойной спирали у эукариот ......................................... 462
14.6.
Выявление мутагенности: тест Эймса ............................................................. 464
14.7.
Мобильные генетические элементы ............................................................... 465
Встроенные последовательности и бактериальные транспозоны ................. 466
Система Ac-Ds у кукурузы ................................................................................ 467
Copia и Р-элементы у Drosophila ....................................................................... 469
Мобильные элементы в геноме человека ....................................................... 470
Транспозоны, мутации и эволюция ................................................................ 470
Исследовательская геномика. Сопоставление последовательностей
для определения мутаций .......................................................................................... 472
Примеры решения задач ............................................................................................ 473
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 474
Глава 15. Регуляция экспрессии генов ......................................................................... 478
Содержание главы ...................................................................................................... 478
15.1.
Прокариоты регулируют экспрессию генов
в зависимости от условий внешней и внутренней среды ............................... 479
15.2.
Индуцибельная система метаболизма лактозы E. coli .................................... 480
Структурные гены ............................................................................................ 481
Открытие регуляторных мутаций .................................................................... 481
Модель оперона: негативный контроль .......................................................... 482
Генетическая проверка модели оперона ......................................................... 484
Изоляция рецептора lac-оперона .................................................................... 486
15.3.
Белок САР: позитивный контроль lac-оперона .............................................. 487
15.4.
Репрессибельная система метаболизма триптофана у E.coli .......................... 489
Доказательство существования trp-оперона ................................................... 489
15.5.
Изменения вторичной структуры РНК у прокариот тоже
вносят вклад в регуляцию экспрессии генов .................................................. 491
Аттенюация ...................................................................................................... 491
Рибосвичи ........................................................................................................ 492
15.6.
Гены регулируются у эукариот и прокариот по-разному .............................. 494
15.7.
Для экспрессии эукариотических генов требуется
модификация хроматина ................................................................................. 496
Хромосомные территории и транскрипционные фабрики ........................... 496
Модификация гистонов и реконструкция
нуклеосомной структуры хроматина .............................................................. 497
Метилирование ДНК ...................................................................................... 498
15.8.
Регуляторные элементы, факторы транскрипции и эукариотические гены ... 499
Промоторы ....................................................................................................... 500
Энхансеры и сайленсеры ................................................................................. 502
15.9.
Активаторы и репрессоры влияют на транскрипцию при связывании
с цис-активирующими сайтами ....................................................................... 502
Ген человеческого металлотионеина IIA: пример множественных
цис-активирующих элементов и транскрипционных факторов .................... 503
15.10.
Активаторы и репрессоры взаимодействуют с общими
транскрипционными факторами, изменяя структуру хроматина ................. 504
Формирование комплекса пре-инициации транскрипции ........................... 505
Взаимодействие общих транскрипционных факторов с хроматином,
активаторами и репрессорами ........................................................................ 506
15.11.
Посттранскрипционная регуляция генов происходит на всех этапах
от процессинга РНК до модификации белков ............................................... 507
Альтернативный сплайсинг мРНК ................................................................. 507
Контроль стабильности мРНК ........................................................................ 509
Трансляционный и посттрансляционный контроль ..................................... 510
15.12.
РНК-индуцированный сайленсинг генов контролирует
их экспрессию несколькими способами ........................................................ 510
Молекулярные механизмы РНК-индуцированного сайленсинга генов ........511
РНК-индуцированный сайленсинг генов в биотехнологии и медицине ...... 513
Исследовательская геномика. Тканеспецифичная экспрессия генов ................... 514
Примеры решения задач ............................................................................................ 516
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 517
Глава 16. Генетические основы рака ............................................................................ 521
Содержание главы ...................................................................................................... 521
16.1.
Рак – генетическая болезнь на уровне соматических клеток ........................ 522
Что такое рак? ................................................................................................. 523
Клональное происхождение раковых клеток ................................................. 524
Гипотеза об опухолевых стволовых клетках .................................................... 524
Развитие рака – многоступенчатый процесс, включающий
множественные мутации генов ....................................................................... 525
16.2.
Генетические дефекты в опухолевых клетках нарушают
стабильность генома, репарацию ДНК и структуру хроматина..................... 526
Геномная нестабильность и дефектная репарация ДНК ............................... 526
Модификации структуры хроматина и эпигенетика рака ............................. 528
16.3.
Генетические аномалии в раковых клетках нарушают регуляцию
клеточного цикла и апоптоз ............................................................................ 529
Клеточный цикл и сигнальная трансдукция .................................................. 529
Контроль клеточного цикла и сверочные точки ........................................... 530
Контроль апоптоза ........................................................................................... 532
16.4.
В раковых клетках повреждены протоонкогены
и гены-супрессоры опухолей ........................................................................... 532
Протоонкогены семейства ras ........................................................................ 534
Ген-супрессор опухолей р53 ............................................................................ 534
Ген-супрессор опухолей RB1 ........................................................................... 535
16.5.
Раковые клетки метастазируют и вторгаются в другие ткани ....................... 536
16.6.
Наследование предрасположенности к некоторым формам рака ................ 538
16.7.
Вирусы вносят вклад в развитие рака у человека и животных ...................... 540
16.8.
Факторы окружающей среды вносят вклад в развитие
злокачественных опухолей человека .............................................................. 541
Генетика, технология и общество. Рак молочной железы:
две стороны генетического тестирования ................................................................. 542
Примеры решения задач ............................................................................................ 544
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 545
Глава 17. Метод рекомбинантных ДНК ...................................................................... 548
Содержание главы ...................................................................................................... 548
17.1.
Рестрикционные ферменты и векторы для клонирования ДНК –
основные инструменты для технологии рекомбинантных ДНК .................. 549
Рестрикционные ферменты разрезают последовательность ДНК
в специфичных сайтах узнавания ................................................................... 550
Ферменты рестрикции ..................................................................................... 550
Для клонирования молекул ДНК их встраивают и реплицируют
в ДНК-векторах .............................................................................................. 551
Бактериальные плазмидные векторы ............................................................. 552
Другие типы векторов для клонирования ...................................................... 554
17.2.
Библиотеки ДНК как коллекции клонированных последовательностей ..... 557
Геномные библиотеки ...................................................................................... 557
Библиотеки кДНК ........................................................................................... 558
Извлечение клонированных генов из библиотек ........................................... 560
17.3.
Полимеразная цепная реакция – мощный метод копирования ДНК .......... 562
Ограничения ПЦР ........................................................................................... 565
Приложения ПЦР ............................................................................................ 565
17.4.
Молекулярные методы анализа ДНК ............................................................. 566
Рестриктные карты .......................................................................................... 566
Блоттинг (блот-гибридизация) нуклеиновых кислот..................................... 567
17.5.
Секвенирование ДНК – завершение характеристики структуры ДНК
на молекулярном уровне ................................................................................. 571
Технологии секвенирования быстро прогрессируют ..................................... 574
Исследовательская геномика. Манипуляции с рекомбинантными ДНК:
рестрикционное картирование
и дизайн праймеров для ПЦР ................................................................................... 575
Примеры решения задач ............................................................................................ 576
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 577
Глава 18. Геномика, биоинформатика и протеомика ................................................... 581
Содержание главы ...................................................................................................... 581
18.1.
Метод дробовика, широко используемый
для секвенирования и сборки полных геномов .............................................. 582
18.2.
Биоинформатика и геномные базы данных
для анализа последовательностей ДНК .......................................................... 585
Аннотирование генных последовательностей ................................................ 586
Аннотация позволяет охарактеризовать отличительные
признаки генных последовательностей .......................................................... 587
18.3.
Функциональная геномика определяет потенциальные функции генов
и других элементов генома .............................................................................. 589
Предсказание функций генов и белков на основании анализа
их последовательностей ................................................................................... 589
Структурный анализ доменов и мотивов для предсказания функций белка... 590
18.4.
Проект по исследованию генома человека выявил
важные аспекты его организации ................................................................... 591
Начало проекта ................................................................................................ 591
Основные черты генома человека ................................................................... 592
18.5.
Бурное развитие «омик» открыло новую эру биологических исследований ... 597
Геномика каменного века ............................................................................... 598
Десять лет после проекта «Геном человека»: что дальше? ............................. 598
Персонализация генома и персональная геномика ....................................... 599
Проект «Микробиом человека» ...................................................................... 601
Позади геномов нет и план «Геном 10К» ........................................................ 601
18.6.
Сравнительный геномный анализ, или сравнение геномов
разных организмов ........................................................................................... 602
Прокариотические и эукариотические геномы обнаруживают
общую структурно-функциональную организацию и важные отличия ........ 603
Сравнительная геномика дает новую информацию о геномах
модельных организмов и человека .................................................................. 605
Геном собаки .................................................................................................... 605
Геном шимпанзе ............................................................................................... 606
Геном макаки-резус .......................................................................................... 607
Геном морского ежа ......................................................................................... 607
Геном неандертальца и современных людей .................................................. 608
Сравнительная геномика вносит вклад в изучение эволюции
и функций мультигенных семейств ................................................................ 609
18.7.
Использование технологий метагеномики
для исследования геномов в окружающей среде ............................................611
18.8.
Анализ транскриптома выявляет профили экспрессии генов
в клетках и тканях ............................................................................................ 613
18.9.
Протеомика идентифицирует и анализирует состав клеточных белков ....... 617
Обоснование различий между числом генов и количеством
продуцируемых в клетке или ткани белков .................................................... 617
Протеомные технологии: двумерный гель-электрофорез
для разделения белков ..................................................................................... 618
Протеомные технологии: масс-спектрометрия
для идентификации белков ............................................................................. 620
Идентификация коллагена в ископаемых останках
Tyrannosaurus rex и Mammut americanum ......................................................... 622
18.10.
Системная биология – это интегрированный подход к изучению
взаимодействий между всеми компонентами клеток в организме ............... 624
Исследовательская геномика. Контиги, секвенирование методом
дробовика и сравнительная геномика ....................................................................... 626
Примеры решения задач ............................................................................................ 628
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 629
Глава 19. Прикладные и этические аспекты генной инженерии и биотехнологии ....... 632
Содержание главы ...................................................................................................... 632
19.1.
Генноинженерные организмы синтезируют широкий спектр
биологических и фармацевтических продуктов ............................................. 634
Продукция инсулина бактериями ................................................................... 634
Трансгенные животные и фармацевтические продукты ................................ 636
Использование рекомбинантных ДНК для производства вакцин
и трансгенные растения со съедобными вакцинами ...................................... 638
19.2.
Генная инженерия растений преобразила сельское хозяйство ..................... 639
Трансгенные культурные растения и устойчивость к гербицидам ................ 640
Улучшение пищевой ценности сельскохозяйственных культур .................... 642
19.3.
Трансгенные животные с генетически улучшенными
характеристиками могут сыграть важную роль в биотехнологии .................. 643
Примеры трансгенных животных ................................................................... 644
19.4.
Синтетические геномы и зарождение синтетической биологии ................... 646
19.5.
Генная инженерия и геномика преобразуют медицинский диагноз ............. 649
Генетическое тестирование основано на рестрикционном анализе .............. 651
Генетические тесты с использованием аллель-специфичных
олигонуклеотидов ............................................................................................ 652
Генетическое тестирование с использованием ДНК-микрочипов
и геномных сканов ........................................................................................... 654
Применение микрочипов для анализа генной экспрессии
и генотипирования патогенов ......................................................................... 659
19.6.
Полногеномное исследование ассоциаций
для идентификации геномных вариантов, связанных с заболеваниями ....... 660
19.7.
Генная терапия для лечения генетических болезней ...................................... 662
Генная терапия ................................................................................................. 662
Препятствия на пути генной терапии как надежного метода лечения .......... 665
Эдитинг и сайленсинг генов в генной терапии .............................................. 667
19.8.
Генная инженерия, геномика и биотехнология порождают этические,
социальные и правовые вопросы .................................................................... 668
Озабоченность в отношении генетически модифицированных
организмов и продуктов, содержащих ГМО ................................................... 669
Генетическое тестирование и этические дилеммы ......................................... 669
Генетическое тестирование по заказу потребителя ........................................ 670
Патенты на ДНК и гены .................................................................................. 671
Патенты и синтетическая биология ................................................................ 673
Генетика, технология и общество. Погоня за персональным
полногеномным секвенированием стоимостью $1000 ............................................. 673
Пример решения задачи ............................................................................................ 675
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 675
Глава 20. Генетика развития ....................................................................................... 679
Содержание главы ...................................................................................................... 679
20.1.
Модельные организмы для исследования эволюционного
консерватизма механизмов развития ............................................................. 680
Анализ механизмов развития .......................................................................... 681
20.2.
Генетика эмбрионального развития Drosophila ............................................... 681
Обзор развития Drosophila ................................................................................ 681
Генетический анализ эмбриогенеза ................................................................ 683
20.3.
Зиготические гены и формирование сегментов ............................................. 685
Gap-гены ........................................................................................................... 686
Гены рair-rule .................................................................................................... 687
Гены полярности сегментов ............................................................................ 688
Гены сегментации у мыши и человека ............................................................ 688
20.4.
Гены-переключатели (селекторные гомеозисные гены) ................................. 690
Гены Hox у Drosophila ........................................................................................ 690
Гены Hox и генетические болезни человека .................................................... 692
20.5.
Регуляторные системы развития организма у растений
и животных эволюционировали параллельно ................................................ 693
Гомеозисные гены у Arabidopsis ....................................................................... 694
Эволюционная дивергенция гомеозисных генов ........................................... 696
20.6.
Межклеточные взаимодействия в развитии C. elegans ................................... 696
Сигнальные пути в процессе развития ........................................................... 697
Notch-зависимый сигнальный путь ................................................................. 697
Обзор развития C. elegans ................................................................................. 698
Генетический анализ формирования вульвы .................................................. 700
Генетика, технология и общество. Битвы стволовых клеток ................................... 701
Примеры решения задач ............................................................................................ 703
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 705
Глава 21. Количественная генетика и многофакторные признаки ............................... 708
Содержание главы ...................................................................................................... 708
21.1.
Количественные признаки можно описать как наследуемые
по законам Менделя ........................................................................................ 709
Гипотеза множественного гена и наследование количественных признаков ...710
Аддитивное действие генов – основа непрерывной изменчивости ...............711
Определение числа генов, детерминирующих признак ................................. 712
21.2.
Изучение количественных признаков основано на статистическом анализе.... 713
Среднее значение ............................................................................................. 714
Дисперсия ........................................................................................................ 715
Стандартное отклонение ................................................................................. 715
Стандартная ошибка среднего ........................................................................ 716
Коварианса и коэффициент корреляции ....................................................... 716
Анализ количественных признаков ................................................................ 717
21.3.
Наследуемость позволяет оценить вклад генов
в фенотипическую изменчивость .................................................................... 718
Наследуемость в широком смысле .................................................................. 720
Наследуемость в узком смысле ........................................................................ 721
Искусственный отбор ...................................................................................... 722
21.4.
Близнецовый метод позволяет оценить наследуемость у человека ............... 724
Некоторые ограничения близнецового метода .............................................. 725
21.5.
Картирование локусов количественных признаков ....................................... 727
Генетика, технология и общество. Пересмотр «зеленой революции»:
генетические исследования риса ............................................................................... 731
Примеры решения задач ........................................................................................... 733
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 735
Глава 22. Популяционная и эволюционная генетика ................................................... 739
Содержание главы ...................................................................................................... 739
22.1.
Популяции и генофонд ................................................................................... 740
Определение генетической изменчивости с помощью
искусственного отбора ..................................................................................... 741
Изменчивость нуклеотидных последовательностей ...................................... 741
22.2.
Закон Харди–Вайнберга описывает популяционные
частоты аллелей и генотипов ........................................................................... 743
22.3.
Закон Харди-Вайнберга применим по отношению
к человеческим популяциям ........................................................................... 746
Проверка соблюдения закона Харди–Вайнберга в популяциях ................... 748
Вычисление популяционных частот множественных аллелей ..................... 749
Расчет частоты гетерозигот ............................................................................. 750
22.4.
Естественный отбор как основная движущая сила изменений
частоты аллелей ............................................................................................... 751
Обнаружение естественного отбора в популяциях......................................... 751
Приспособленность и отбор ............................................................................ 752
Несколько типов отбора .................................................................................. 754
22.5.
Мутации создают новые аллели в генофонде ............................................... 755
22.6.
На частоту аллелей могут повлиять миграция и поток генов ........................ 757
22.7.
В небольших популяциях дрейф генов приводит к изменению
частоты аллелей ............................................................................................... 758
Эффект основателя в человеческих популяциях ............................................ 759
22.8.
Неслучайные скрещивания изменяют частоту генотипов, но не аллелей .... 761
Инбридинг ....................................................................................................... 761
22.9.
Уменьшение потока генов, отбора и генетического дрейфа
может привести к образованию видов ............................................................ 762
Изменения, которые приводят к видообразованию ...................................... 763
Темпы макроэволюции и видообразования.................................................... 764
22.10.
Использование филогенетического анализа в эволюционной истории ....... 765
Конструирование филогенетических деревьев
по аминокислотным последовательностям .................................................... 767
Молекулярные часы показывают скорость эволюционных изменений ....... 767
Геномика и молекулярная эволюция .............................................................. 769
Анализ генетической дивергенции между неандертальцами
и современными людьми ................................................................................. 769
Генетика, технология и общество. Наши генетические следы ведут в Африку ....... 771
Примеры решения задач ............................................................................................ 773
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 774
Глава 23. Консервативная генетика ............................................................................. 778
Содержание главы ...................................................................................................... 778
23.1.
Цель консервативной генетики – поддержание генетического
разнообразие видов .......................................................................................... 780
Потеря генетического разнообразия ............................................................... 782
Определение генетической изменчивости ..................................................... 782
23.2.
Размер популяции и выживаемость видов ...................................................... 784
23.3.
Генетические эффекты уменьшения популяции ............................................ 786
Генетический дрейф ......................................................................................... 787
Инбридинг ....................................................................................................... 787
Уменьшение потока генов ............................................................................... 790
23.4.
Генетическая эрозия как потеря генетического разнообразия ...................... 791
23.5.
Поддержание генетического разнообразия необходимо
для выживания видов....................................................................................... 792
Консервация ex situ .......................................................................................... 792
Консервация вне природной среды: банки генов .......................................... 795
Консервация in situ ........................................................................................... 796
Приращение популяции .................................................................................. 796
Генетика, технология и общество. Генофонды исчезающих видов:
трагедия флоридской пантеры .................................................................................. 797
Пример решения задач .............................................................................................. 799
Задачи и вопросы для обсуждения ............................................................................ 800
Специальные вопросы современной генетики. Эпигенетика ....................................... 804
Эпигенетические изменения в геноме ...................................................................... 805
Метилирование ................................................................................................ 806
Модификация гистонов и пространственная структура хроматина ............. 807
МикроРНК ....................................................................................................... 808
Эпигенетика и импринтинг ....................................................................................... 809
Эпигенетика и рак ...................................................................................................... 812
Эпигенетика и окружающая среда ........................................................................... 816
Эпигеномные проекты ............................................................................................... 818
Рекомендуемая литература и электронные ресурсы ................................................. 819
Специальные вопросы современной генетики. ДНК-криминалистика ........................ 820
Методы ДНК-профилирования ................................................................................ 821
ДНК-фингерпринт на основе VNTR .............................................................. 821
Профилирование аутосомных коротких тандемных повторов (STR) ........... 822
Профилирование STR, локализованных на Y-хромосоме ............................. 826
Профилирование митохондриальной ДНК.................................................... 827
Профилирование однонуклеотидных полиморфизмов ................................. 828
Интерпретация ДНК-профилей ..................................................................... 830
Уникальность ДНК-профилей ........................................................................ 832
Ошибка прокурора ........................................................................................... 833
Базы данных ДНК-профилей .......................................................................... 833
Технические и этические проблемы профилирования ДНК ................................... 834
Рекомендуемая литература и электронные ресурсы ................................................. 835
Специальные вопросы современной генетики. Геномика
и персонализированная медицина ................................................................................ 836
Персонализированная медицина и фармакогеномика ............................................ 837
Оптимизация лекарственной терапии ............................................................ 837
Ослабление побочного действия препаратов ................................................. 841
Персонализированная медицина и диагностика заболеваний ................................ 844
Анализ индивидуального генома ............................................................................... 845
Технические, социальные и этические проблемы .................................................... 848
Рекомендованная литература и электронные ресурсы ............................................. 850
Специальные вопросы современной генетики. Cтволовые клетки ............................... 851
Происхождение и типы стволовых клеток ................................................................ 851
Эмбриональные стволовые клетки человека .................................................. 852
Стимуляция ЭСК к дифференцировке .......................................................... 855
Взрослые стволовые клетки ............................................................................ 855
Стволовые клетки из амниотической жидкости ............................................ 857
Опухолевые стволовые клетки ........................................................................ 857
Ядерное перепрограммирование для получения плюрипотентных
стволовых клеток ....................................................................................................... 858
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки .................................. 859
РНК-индуцированные плюрипотентные стволовые клетки ......................... 860
Изучение заболеваний с помощью ИПСК ..................................................... 861
Возможности для применения стволовых клеток ................................................... 862
Восстановительная медицина; использование стволовых клеток
для регенерации тканей и органов ................................................................. 864
Создание органов ............................................................................................. 865
Использование ИПСК для лечения серповидноклеточной анемии ............. 866
Проблемы и трудности, связанные с использованием стволовых клеток ............... 867
Этические проблемы при использовании стволовых клеток ................................... 868
Рекомендуемая литература и электронные ресурсы ................................................ 870
Словарь ....................................................................................................................... 871
Решение избранных задач и ответы на вопросы для обсуждения ................................ 876
Алфавитный указатель ................................................................................................ 925
ПОСВЯЩЕНИЕ РЕДАКТОРА
У меня появилась редкая возможность отметить профессиональные достижения и личный
вклад ряда исследователей, а также выразить им признательность за позитивное
развитие наших деловых взаимоотношений.
Мне хотелось бы посвятить настоящее издание, 19-е в данной серии, всем нашим
редакторам, внесшим неоценимый вклад в успех и долгую жизнь изданных книг, а
именно: Керри Барух (Kerry Baruch), Бобу Лейкмахеру (Bob Lakemacher), Бобу Роджерсу
(Bob Rogers), Шерри Сневли (Sheri Snavely), Гари Карлсону (Gary Carlson),
Майклу Джилеспи (Michael Gillespie) и Дасти Фридман (Dusty Friedman). Будучи
первоклассными профессионалами, на протяжении трех десятилетий вы оказывали
мне неоценимую помощь и поддержку. Выражаю глубокую признательность соавторам,
принимавшим непосредственное участие в этом издании, моим верным соотечественникам
Шарлотте Спенсер (Charlotte Spencer), Майку Каммингсу (Mike Cummings),
Майку Палладино (Mike Palladino), Гарри Никла (Harry Nickla). Десятки лет они полны
непоколебимой решимости общими усилиями добиться совершенства и научить
студентов критическому отношению к истории науки, аналитическому мышлению и
современным достижениям в области генетики.
Все вы – голос разума, источник огромного вдохновенья и теплых дружеских отношений.
Я счастлив, что вы стали частью моей жизни.
ПРЕДИСЛОВИЕ
«Основы генетики» написаны для более сжатых и не слишком детальных курсов по
генетике, излагающих основные концепции этой науки. Несмотря на то, что в книге
представлена основательная и современная информация, она рассчитана, в первую
очередь, на студентов-старшекурсников, выпускников и аспирантов. Учебник будет
также полезен студентам, специализирующимся в области других дисциплин, включая
агрономию, сельское хозяйство, химию, инженерные науки, лесоводство, психологию,
природопользование и охрану природы. Ввиду своей лаконичности «Основы генетики»
предназначены для непродолжительных трехмесячных курсов.
ЦелиДве важнейших цели, поставленные авторами в этом и в предыдущем изданиях «Основ генетики», заключаются в разработке новых педагогических методов интенсивного обучения и в сочетании их с доступной информацией по классической и современной генетике. Для достижения этих целей в книгу были включены: 1) новые главы по
специальным областям современной генетики; 2) практическая генетика — мощная
информационная система для обучения и тестирования он-лайн, позволяющая студентам
развить практические навыки решения задач по генетике.
Помимо этих новшеств, глобальные цели остаются прежними. В частности:
_ дать обзор основных положений генетики без детального рассмотрения;
_ обеспечить четкость и ясность изложения материала, что позволяет лучше понять
сложные темы;
_ большое место отвести решению задач, чтобы привить студентам аналитическое
мышление, навыки практического использования и пополнения знаний по генетике;
_ представить самые современные и актуальные знания в области этой замечательной
науки;
_ для успешного освоения курса постоянно обращаться к современным научным
разработкам;
_ показать становление и развитие генетики, ее богатейшую историю;
_ для лучшего усвоения материала использовать информативные цветные фотографии
и рисунки;
_ для обучения студентов представить мощную интерактивную поддержку в виде
анимаций, проверочных работ и вспомогательных средств.
Эти цели положены во главу угла «Основ генетики» и позволили сблизить различные
по содержанию и формату курсы. Несмотря на единство содержания и подходов
к подаче курса генетики, отдельные главгы достаточно независимы друг от друга, их
можно читать в произвольном порядке.
Новое в данном издании
Мы рады предложить читателям два педагогических новшества, которые способствуют
расширению кругозора и активному обучению. Книга была усовершенствована, чтобы
помочь преподавателям и студентам сосредоточиться на самой важной информации.
Специальные вопросы современной генетики В генетике появляются и развиваются
новые направления, поэтому в отдельные главы книги постепенно включались
небольшие специальные разделы. Во многих главах кратко упоминаются сведения
по общим вопросам генетики, поскольку без этого неподготовленному читателю
трудно усвоить материал соответствующей главы . Новым для настоящего издания
является раздел «Специальные вопросы современной генетики». Он содержит
ряд более коротких, вполовину от остальных, специализированных глав с точной
краткой информацией о новых направлениях современной генетики, представляющих
большой интерес для студентов и преподавателей. Одной из наших задач
было облегчить понимание лекций по каждой из тем книги и помочь слушателям
этих лекций. Пусть отдельные вопросы и не рассматриваются во время лекций,
но при чтении книги студенты могут ими заинтересоваться и прочитать материал
самостоятельно. Для настоящего дополненного издания мы впервые выбрали и
подробно осветили четыре наиболее важных вопроса по основополагающим темам
современной генетики:
1. Эпигенетика
2. ДНК-криминалистика
3. Геномика и персонализированная медицина
4. Стволовые клетки
Специальные разделы обозначены цветными закладками на полях издания и помещены
в конце книги, их можно читать независимо от других лекций. Многочисленные
иллюстрации для презентации лекционного материала по этим главам
доступны в формате Power Point.
Практическая генетика – мощная программа для домашней работы и тестирования
он-лайн, позволяющая студентам понять ключевые темы и приобрести навыки
решения задач по генетике. Кураторы учащихся могут исправлять ответы в режиме
обратной связи. Автоматическое тестирование позволяет сэкономить время и
выявить отдельных студентов или целые группы, у которых возникли трудности
в понимании материала.
Обновленный материал
Помимо новых мини-глав по специальным вопросам генетики, каждая из других глав
содержит дополнения, касающиеся современных открытий в генетике. Вот некоторые
из наиболее важных дополнений и обновлений:
Гл. 1: Введение в генетику • Исправлен раздел Истоки современной биологии • Переписан раздел о ДНК и РНК • Расширено обсуждение экспрессии генов • Обновлены
данные по биотехнологии • Внесены новые данные по геномике и протеомике.
Гл. 2: Митоз и мейоз • Появились новые данные и рисунок, включая роль когезина и
шугошина в процессе митоза и мейоза.
24 Предисловие
Гл. 3: Менделевская генетика • Добавлен раздел «Независимое комбинирование и мейоз».
Гл. 4: Отклонение от пропорций Менделя • Добавлено несколько задач.
Гл. 5:Определение пола и половые хромосомы • Добавлен материал по определению
пола у кур • Обновлены данные по определению пола у млекопитающих • Обновлены
данные по Y-хромосоме человека • Обновлены данные по механизму инактивации
Х-хромосомы.
Гл. 6: Хромосомные мутации: количественная и структурная изменчивость • Введен раздел
«Неинвазивная пренатальная генетическая диагностика (НПГД)».
Гл. 7: Сцепление генов и хромосомное картирование у эукариот • Добавлен материал по
хромосомному картированию с помощью ДНК-маркеров и базы данных с комментариями.
Гл. 8: Генетический анализ и картирование генов у бактерий и бактериофагов • Исправлены
рисунки, касающиеся конъюгации бактерий • Добавлено сравнение горизонтального
и вертикального переносов генов • Добавлен материал о множественной устойчивости
у бактерий.
Гл. 9: Анализ состава и структуры ДНК • Дополнена классификация ДНК по составу
и структуре.
Гл. 10: Репликация и рекомбинация ДНК • Добавлены рисунки, иллюстрирующие
репликацию ДНК.
Гл. 11: Структура хромосом и организация последовательности ДНК • Добавлен материал
о роли реконструкции хроматина в эпигенетической модификации • Введен новый
раздел о теломерных последовательностях ДНК и о теломерных РНК-содержащих повторах
(TERRA) • Добавлен новый материал о дифференциальной окраске хромосом
(бэндинге).
Гл. 12: Генетический код и транскрипция • Добавлены новый рисунок и описание
функций РНК-полимеразы при транскрипции ДНК у прокариот • Дополнение о
сплайсинге РНК.
Гл. 13: Трансляция и белки • Дополнение о функциональной роли рибосом в трансляции
РНК.
Гл. 14: Генные мутации, репарация ДНК и транскрипция • Добавлены новые разделы — «Алкилирование, интеркаляция и аддукт-формирующие агенты». Мутации одного
гена вызывают широкий спектр заболеваний у человека, в котором описаны соответствующие
мутации и обусловленные ими патологии.
Гл. 15: Регуляция экспрессии генов • Добавлены текст и рисунок, описывающие механизмы
аттенюации, переключения рибосом и чувствительные к метаболитам РНК •
Обновлен материал о коровых, сконцентрированных и диспергированных промоторах
и промоторных элементах, добавлены два рисунка.
Гл. 16: Генетика рака • Дополнение о гипотезе опухолевых стволовых клеток.
Гл. 17: Методы рекомбинантных ДНК • Изменен материал о методах рекомбинантных
ДНК • Дополнение о изотопном мечении ДНК и о широко используемых в настоящее
время неизотопных методах мечения и детекции, в частности, о меченых ДНК-пробах
и секвенировании • Дополнение о методах ПЦР с обратной транскрипцией (ОТ ПЦР)
и количественной ПЦР в реальном времени (кПЦР) • Добавлен материал о FISHгибридизации
и спектральном кариотипировании • Изменен материал о методах
Акцент на основных концепциях 25
секвенирования ДНК, включая автоматическое секвенирование с использованием
капиллярного электрофореза и методы следующего поколения • Изменен раздел «Задачи
и вопросы для обсуждения».
Гл. 18: Геномика и протеомика • Введен раздел после пуска проекта «Геном человека»,
включающий информацию о проекте «Микробиом человека» • Обновлен материал о
геноме человека, включая вариабельность копий генов • Расширен раздел о «каменном
веке» геномики и о новых данных, касающихся генома неандертальца • Расширен раздел
о сравнительной геномике, включая сравнение геномов модельных организмов и
человека • Дополнение о персональных геномах и секвенировании индивидуальных
диплоидных геномов • Введен раздел о геноме 10К • Обновлен материал о системной
биологии, включая новую схему, иллюстрирующую вклад различных генов в развитие
заболеваний человека.
Гл. 19: Прикладные и этические аспекты генной инженерии и биотехнологии • Дополнение
о синтетических геномах • Изменен и дополнен материал о генетическом тестировании
человека по заказу клиента (DTC) и патентировании генетической информации
• Введены новый раздел и рисунок по исследованию генома человека и генетически
обусловленных заболеваний • Обновлен материал о синтетических геномах применительно
к генетическому тестированию заказчиков (DTC) и патентированию
генетической информации.
Гл. 20: Генетика развития • Переработано обсуждение эволюционного консерватизма
механизмов развития на примере модельных организмов • Внесены уточнения в раздел
о генетическом анализе эмбриогенеза.
Гл. 21: Количественная генетика и полигенные признаки • Изменен материал по генетике
близнецов • Обновлены данные о локусах количественных признаков (QTLs).
Гл. 22: Популяционная и эволюционная генетика • Переписан раздел о макроэволюции
и специализации, добавлены новые примеры и два рисунка • Расширен материал о
филогенетическом анализе, добавлен рисунок • Изменен раздел о молекулярных часах,
добавлен рисунок • Обновлен материал по сравнительной геномике неандертальца и
современного человека.
Гл. 23: Консервативная генетика • Обновлены данные о видах, находящихся под угрозой исчезновения.
Приведенный выше список отражает быстрое увеличение потока информации по
генетике.
Акцент на основных концепциях
В настоящем издании большое внимание уделено принципиальным положениям
генетики и решению задач для более глубокого понимания материала. Мы рассматриваем
основные понятия в качестве когнитивных единиц для осмысления связанных с
генетикой научных открытий и идей. Такой подход обеспечивает широту и образность
мышления, которые, на наш взгляд, необходимы для изучения всех наук, включая
генетику. Детали, которые можно запомнить и быстро забыть, сгруппированы в концептуальные блоки и их легко восстановить в памяти. Такие информационные блоки
излагаются как отдельные темы либо в связи с другими концепциями, что улучшает
интеграцию знаний и взаимосвязанных процессов или идей. Обширную группу понятий
можно расширять и усваивать как научную дисциплину, что и является целью
нашего учебника. Студенты нацелены на понимание основных аспектов и тематических
разделов, поэтому каждая глава начинается с раздела «Содержание главы», в котором
обозначены самые важные идеи главы. В каждой из глав книги имеются ключевые
вопросы для обсуждения. Вопрос «Знаете ли вы?» предваряет список задач в конце
главы, для решения которых от студентов требуется знание экспериментальной базы
для важнейших генетических понятий, сформулированных в соответствующей главе.
Раздел «Наука как путь к познанию» дает информацию за рамками учебного курса и
углубляет понимание основных положений генетики, изложенных в главе.
Все эти особенности книги позволяют надеяться, что студенты будут хорошо осведомлены
в генетике и станут разбираться в основных понятиях. В изучении важных
генетических терминов и понятий им содействует также обширный словарь терминов
и тщательно выполненные иллюстрации.
Акцент на решение задач
Формирование у студентов навыка решения задач – одна из важнейших целей курса
по генетике. Подсказка в тексте «Решим задачу» требует от студентов решения задачи
с привлечением усвоенных ими знаний. Предложенные задачи максимально приближены
к обсуждаемой в учебнике теме, и с помощью преподавателя студентам можно
найти правильное решение. В каждой главе имеются «Примеры решения задач» – очень
популярный и востребованный раздел, в котором представлены типовые задачи, их
решение и подходы для генетического анализа. Это помогает студентам в развитии
аналитического мышления и навыков постановки экспериментов. Объяснение в разделе
«Примеры решения задач» служит для студентов инструкцией к решению задач и
обсуждению вопросов, помещенных в каждой из глав. Эти вопросы обзорного характера
и генетические задачи важны для анализа и практического приложения усвоенных
понятий. Задачи расположены в порядке возрастания сложности. В Приложении к
«Практической генетике» мы сосредоточились на решении задач в режиме он-лайн,
что позволяет студентам практиковаться в решении задач с посторонней помощью.
Тематические разделы
В восьмое издание книги вошли научно-популярные термины и понятия, которые
весьма полезны для изучающих генетику. Они создают основу для более вдумчивого
и глубокого восприятия курса генетики.
Исследовательская геномика. О ней идет речь в 10 главах книги, и это указывает на
распространенность термина в учебном курсе современной генетики. Студенты
направляются на один или несколько веб-сайтов, которые предоставляют доступные
сетевые ресурсы и базы данных по геномике и смежным областям науки.
Учащиеся выполняют задания в интерактивном режиме, укрепляя свои знания по
геномике или протеомике. Упражнения показывают способы освоения специфичных
тем и дают доступ к получению необходимых данных. Вопросы ориентируют
студентов на дальнейший самостоятельный поиск и анализ информации. Важно,
что «Исследовательская геномика» интегрирует информацию в текст учебника в
соответствии с содержанием главы. Это обеспечивает возможность индивидуальных
или групповых учебных занятий как в самой аудитории, так и за ее пределами.
Генетика, технология и общество. Этот раздел представлен в 12 главах, в нем дается
краткая характеристика одного из направлений генетики, которое напрямую связано
с современным обществом. В конце каждой такой заметки имеется рубрика
«Ваше мнение», которая ставит перед учащимися вопросы и предлагает для ответа
различные сетевые ресурсы. Это нововведение обеспечивает другой формат для
усиленного взаимодействия студентов и преподавателей в учебной аудитории.
Случай из практики. Этот раздел размещен в конце каждой из глав и создает основу
для взаимодействия в аудитории. Каждый из описанных случаев тесно связан с
темами соответствующей главы, за его описанием следует несколько вопросов.
От учащихся требуется применить полученные знания в реальной жизненной
ситуации путем обсуждения в группе или индивидуально.
Информация для преподавателей
Практическая генетика – электронный адрес –
http://www.masteringgenetics.comЭтот раздел направляет студентов к сетевым ресурсам и позволяет без труда строить
учебный процесс. Преподаватели обеспечивают учащимся персональный доступ и
обратную связь. С помощью оценок можно отслеживать успеваемость и результаты
тестирования. Практическая генетика предоставляет результаты для итоговой оценки.
Сетевые ресурсы содержат следующее:
_ подробные инструкции с подсказками и обратной связью в случае непонимания
темы;
_ библиотека по заданной тематике, включая задачи в конце главы, вопросы для
тестирования и результаты проверки заданий. Можно пользоваться предварительно
подготовленным издателями быстрым доступом. Каждый из вопросов легко
редактировать в соответствии с языком пользователя;
_ журнал успеваемости с быстрым доступом к результатам и с оценкой качества
работы.
Ресурс на DVD для инструкций (0-321-185719-4)
В восьмом издании DVD- ресурс обеспечивает удобный доступ к большинству новых
и исчерпывающих лекционных презентаций и обучающих средств, предлагаемых в
любом учебнике по генетике. Эта разработка отвечает нуждам как опытных, так и
начинающих преподавателей. Данный ресурс содержит:
_ файлы в формате JPEG для всех штриховых рисунков с отдельно увеличенными
легендами для оптимального показа результатов (а также версии без метки файла)
и все таблицы из текста книги;
_ большинство фотографий из текста в формате JPEG, включая особо важные для
преподавателей;
_ штриховые рисунки в формате JPEG и таблицы, загруженные в PowerPoint®, для
презентации каждой главы;
_ второй набор презентаций в формате PowerPoint®, содержащих полный конспект
лекций по каждой главе и ключевые иллюстрации к тексту;
_ впечатляющие серии емких анимаций, которые придают важнейшим положениям
и процессам, описанным в тексте, глубину, визуальную ясность и динамичность;
_ анимации преподавателя, загруженные в PowerPoint®, для презентации каждой
главы
_ презентации в формате PowerPoint®, содержащие полный комплект вопросов по
каждой главе для работы с помощью аудиторной респонсивной системы (CRS);
_ полный комплект вспомогательных материалов, вопросов и ответов из банка
тестов, а также вопросов из глав книги и вопросов к практическим занятиям с
носителями информации в формате Word.
Программное обеспечение для компьютерного тестирования
TestGen EQ (O-321-185720-8)
Тестовые вопросы доступны как часть системы TestGen EQ – тестовой программы,
подключаемой к сети для контролирования тестов. Преподаватели могут также просматривать
и редактировать вопросы, выводить тестовые вопросы и распечатывать их
в различных форматах.
Информация для студентов
Учебник и решебник для студентов, автор Гарри Никла (Harry
Nickla), Университет Крейгтона (Эмеритус) (0-321 185721-6)
Это ценное учебное пособие содержит детальные пошаговые решения или подробное
обсуждение каждой из текстовых задач. В учебнике имеются дополнительные обучающие
задачи, резюме к главам, упражнения по терминологии и краткое руководство,
как изучать генетику.
Практическая генетика – электронный адрес – http://www.
masteringgenetics.comЭтот он-лайн ресурс используют свыше 1 млн студентов научного профиля. Он также
широко и эффективно используется для обучения, домашней работы и для научных
целей, позволяет лучше подготовиться к экзаменам. Будучи вспомогательной системой
для домашней работы с преподавателями, «Практическая генетика» предоставляет
студентам множество вспомогательных средств для усвоения основных тем и
концепций и формирования навыков решения задач. Руководство позволяет изучать
генетику в произвольном ритме, обеспечивая индивидуальный подход с подсказками
и обратной связью в случае непонимания темы. Студенты могут пользоваться также
обучающим пособием по практической генетике, включающем анимации, текстовые
файлы, упражнения поисковой генетики и другие обучающие средства. Интерактивный
электронный текст позволяет прояснить текст, добавить обучающие заметки и обзор
замечаний преподавателя, вести поиск по тексту.
Благодарности
Рецензенты
Многие коллеги внесли неоценимый вклад в обширный по тематике текст. Особая
благодарность тем, кто дал ценные советы и сделал конструктивные замечания и/или
внес предложения, касающиеся содержания восьмого издания, в частности:
Алте К. Алтон (Althea K. Alton) и Томасу Г.Алтону (Thomas H. Alton), Западный Университет,
шт. Иллинойс; Брайану Ашбурнеру (Brian Ashburner), Университет Толедо;
Джорджу Бейтсу (George Bates), Государственный Университет шт. Флорида; Марку
Брику (Mark Brick), Государственный Университет шт. Колорадо; Джиллу Бутнеру (Jill
Buettner), Ричланд колледж; Сьюзан Копассо (Susan Capasso), Сент-Винсент колледж;
Арону Кассилю (Aaron Cassill), Университет шт. Техас, Сан-Антонио; Стиву Дэнисону
(Steve Denison), Колледж Эккерда; Джону П. Досе (John P. Doucet), Государственный
Университет Николса; Курту Эллиотту (Kurt Elliott), Северо-Западный Колледж Висты;
Леману Л. Эллису (Lehman L. Ellis), Колледж Страстной Богоматери; Виктору Фету
(Victor Fet), Университет Маршалла; Кларенс Е. Фоше (Clarence E. Fouche), Межгорный
Колледж, шт. Вирджиния; Гейлу Фрайзеру (Gail Fraizer), Кентский Государственный
Университет; Александросу Георгакилосу (Alexandros Georgakilas), Университет Восточной
Каролины; Эдварду Ф. Голенбергу (Edward F. Golenberg), Государственный Университет
Уэйна; Джону Грею (John Gray), Университет Толедо; Даниэлле Хэмилл (Danielle
Hamill), Университет Уэслин, шт. Огайо; Дэвиду Кассу (David Kass), Восточный Университет,
шт. Мичиган; Мэри Кимбэл (Mary Kimble), Северо-восточный Университет, шт.
Иллинойс; Джоан Кух (Joan Kuh), Гавайский Университет; Джозефу Килковски (Jospeh
Kulkosky), Колледж Честнат Хилл; Алану К. Леонарду (Alan C. Leonard), Флоридский
Технологический Институт; Жанет Льюис (Janet Lewis), Мичиганский Государственный
Университет; Джанетт М. Лотч (Jeannette M. Loutsch), Университет науки и исскуств,
шт. Оклахома; Рою Б. Мэсону (Roy B. Mason), Горный Колледж Сан-Хасинто, шт. Техас;
Филиппу Мак-Клину (Philip McClean), Государственный Университет Северной
Дакоты; Шону Мегеру (Shawn Meagher), Университет Западного Иллинойса; Садхиру
Наяку (Sudhir Nayak), Колледж Нью Джерси; Гарри Никла (Harry Nickla), Университет
Крегтона; Филиппу А. Ортису (Phillip A. Ortiz), Имперский Государственный Колледж;
Терренс Пурье (Terrence Puryear), Иллинойский Северо-восточный Университет; Томасу
Ф. Саважу (Thomas F. Savage), Орегонский Государственный Университет; Брайану
В. Шварцу (Brian W. Schwartz), Колумбийский Государственный Университет; Алану
Щовальтеру (Allan Showalter), Университет Огайо; Томасу Смиту (Thomas Smith),
Университет Южного Арканзаса; Татьяне Татум (Tatiana Tatum) Университет СентХавьер;
Патти Томпсон (Pattie Thompson), Техасский Университет, Сан-Антонио;
Полю Уилсону (Paul Wilson), Университет Трента; Майклу Заровитцу (Michael Zarowitz),
Калифорнийский Политехнический Институт – Сан Луис-Обиспо ( );
Полностью отвечая за возможные ошибки в данной книге, мы благодарим за помощь
и вклад в издание всех вышеперечисленных коллег.
Соисполнители
Особая благодарность всем, кто принимал непосредственное участие в многочисленных
правках текста. Мы признательны Саре Уорд (Sarah Ward) из Государственного
Университета Колорадо за работу над главой «Консервативная генетика»; Садхиру
Наяку (Sudhir Nayak) из Колледжа Нью-Джерси за работу над текстами по геномике;
Дэвиду Кассу (David Kass) из Восточного Университета, шт. Мичиган, Катерине Юхази
(Katherine Uyhazi) из Йельской Медицинской Школы и Тамаре Манс (Tamara Mans) из
Общественного Колледжа, Сев. Хеннепин, за большую работу над разделами «Генетика,
технология и общество»; Эллиотт Гольдштейн (Elliott Goldstein) из Государственного
Университета Аризоны за материалы по молекулярной генетике, Майку Гуидри (Mike
Guidry) из Лайт-Кон Интерактив и Карен Хьюдж (Karen Hughes) из Университета
Теннесси за оригинальные медийные программы. Мы также благодарим Ютту Хеллер
(Jutta Heller) из Университета Вашингтона, Такома, Джона Остермана (John Osterman)
из Университета Небраски, Линкольн, Вирджинию Мак-Доннау (Virginia McDonough)
из Хоуп-Колледжа, Кирен Мисра (Kiran Misra) из Университета Эдинборо в Пенсильвании
за работу над медийными программами. Особая благодарность Гарри Никла,
(Harry Nickla) недавно ушедшему на пенсию, из Университета Крейгтона. Он является
автором «Руководства для студентов», написавшим множество задач, и автором раздела
«Ответы на избранные вопросы» в Приложении А. Мы благодарны всем перечисленным
коллегам не только за генетическую экспертизу, но и за их преданность
этому проекту, за приятное и полезное взаимодействие.
Вклад в редактирование и выпуск книги
Выражаем персональную признательность Майклу Джиллеспи за редакторское руководство,
его идеи и усилия помогли сформировать и улучшить издание. Дасти Фридман,
редактор проекта, приложила немало усилий для сохранения стандартов высокого
качества. Наша редакционная коллегия – Дебора Гейл – исполнительный директор по
развитию, Лаура Томмази – старший медиапродюсер, Даниэль Росс и Каролин Росс –
ассистенты медиапродюсера, Джулиана Трингали – редактор проекта, Зан Колеман –
специалист по информационным ресурсам, Таня Млави – директор редакторской
коллегии – внесла ценный вклад в настоящее издание. Все они творчески работали над
книгой, чтобы педагогика и дизайн книги, а также информационный компонент были
на самом современном уровне быстро изменяющейся науки. Садхир Наяк из Колледжа
Нью-Джерси прекрасно поработал над программой «Практической генетики», и мы
признательны ему за материалы по геномике. Камилла Херрера очень внимательно
проверила и уточнила все сложные и запутанные места в тексте. Приносим благодарность
Бетти Песано, которая отредактировала формат и стиль, а также исправила
ошибки в тексте. Лорен Харп с большим энтузиазмом профессионально занималась
реализацией книги. Наконец, красивая и содержательная презентация работы стала
возможной благодаря инженерно-издательской группе из Торонто. Без самоотдачи
и этики указанных коллег наше издание не состоялось бы. Благодарность за правку
600-страничной рукописи не выразить никакими словами. Мы выражаем огромную
признательность всем коллегам, терпеливо, настойчиво и старательно выполнившим
эту задачу, а именно: Вирджинии Мак-Донау, Форду Люксу, Мэтью Джилгу и Брайану
Флинну – недавним выпускникам Колледжа Нью Джерси.
Как следует из многочисленных благодарностей, книга появилась в результате совместной
работы, и все перечисленные коллеги причастны к успеху издания. Хотелось
бы сказать, что наша признательность не уступает их необычайной преданности делу,
которая выразилась в затраченных ими усилиях.
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В ГЕНЕТИКУ
Содержание главы
_ Генетика двадцать первого века основана на традициях открытий и экспериментов,
обогащавших науку с древних времен до наших дней.
_ Трансмиссионная генетика изучает основополагающий процесс передачи генов и
наследуемых признаков из поколения в поколение.
_ Мутантные штаммы можно использовать в генетических скрещиваниях для локализации
и картирования генов на хромосомах.
_ Модель структуры ДНК Уотсона–Крика проясняет способ хранения и воспроизведения
генетической информации. Это открытие лежит в основе молекулярной
генетики.
_ Биотехнология создает генетически модифицированные организмы и соответствующие
продукты, которые широко используются в сельском хозяйстве, медицине
и промышленности.
_ Для исследования заболеваний человека современная генетика вместе с методом
рекомбинантных ДНК и геномикой использует модельные организмы.
_ Генетические технологии опережают регулирующие их политические и законодательные
акты и соглашения.
Современные модельные организмы включают круглого червя, С. еlegans, полосатую
рыбку данио, D. rerio, и мусорное растение резушку Таля (арабидопсис), A. thaliana
В декабре 1998 г. исландский парламент принял закон , разрешающий биотехнологической
компании deCODE Genetics получать лицензии на создание и использование
базы данных с медицинской информацией о всех 270 000 жителях страны. Все записи
в базе данных, полученных из Отдела здравоохранения (HSD), были закодированы
для обеспечения анонимности. Этот закон также разрешал deCODE Genetics соотносить
информацию HSD с генеалогической базой данных Национального архива и с
результатами анализа образцов ДНК, полученных от исландских доноров. Сочетание
медицинских, генеалогических и генетических данных позволило deCODE Genetics
получить мощный информационный ресурс, который предлагался исследователям и
компаниям на рынке в течение 12 лет, вплоть до 2012 г.
Это не сценарий научно-фантастического фильма, вроде Гаттаки1, а пример реального
комплексного взаимодействия генетики и общества в первых десятилетиях
двадцать первого века. Развитие и применение таких баз данных в Исландии стимулировало
сходные крупномасштабные проекты в Великобритании, Эстонии, Латвии,
Королевстве Тонга2. В США были воплощены программы исследования относительно
небольших групп населения, включающих от нескольких десятков до нескольких тысяч
человек. Все эти базы данных предназначены для поиска генов предрасположенности
к сложным наследственным заболеваниям. Для своего беспрецендентного проекта
специалисты из deCODE Genetics выбрали Исландию, поскольку среди жителей этой
страны очень высок уровень генетического родства.
Интерес генетиков к жителям маленькой удаленной страны объясняется многими
причинами. Население Исландии уникально по своей генетической однородности
и доступности для исследователей. Почти все исландцы генетически очень близки
между собой, а также близки своим предкам – викингам, заселившим остров более
1000 лет тому назад. Вот почему генетики считают исландскую популяцию исключительно
ценной для изучения наследственных болезней. Медицинские сведения о
каждом исландце имеются в государственной системе здравоохранения, начиная с ее
становления в 1900 году. Родословные всех проживающих в Исландии также вполне
доступны, равно как информация о более чем 500 000 человек из предполагаемых 750-
ти тысяч, которые когда-либо проживали в Исландии.
По этим причинам базы данных по Исландии представляют особую ценность для
поиска генов, контролирующих сложно наследуемые заболевания. К успехам этого
проекта можно отнести идентификацию и характеристику генов, отвечающих за
такие известные заболевания, как астма, сердечно-сосудистые патологии, инсульт,
остеопороз и др.
С другой стороны, использование генетических технологий порождает противоречия,
связанные с конфиденциальностью, необходимостью согласия пациентов на
обследование и с коммерциализацией данных. Другая сторона вопроса, вызывающая
споры среди приверженцев новой генетической технологии, – конфиденциальность
сведений и механизмы обмена такой информацией.
Основной вопрос, который задают научному сообществу, заключается в том, как
реально можно использовать столь масштабную информацию. К примеру, каким образом
можно использовать знания о полной нуклеотидной последовательности генома
человека? Приведет ли раскрытие генетических данных к дискриминации со стороны
работодателей или страховых компаний? Станут ли широко доступными такие генетические
технологии, как пренатальная диагностика и генная терапия? Фактически
любой момент в истории науки отмечен такого рода этическими проблемами. Это связано
с появлением какой-либо новой технологии и с возможным риском применения
информации, полученной с помощью этих технологий.
Начиная изучать генетику, постарайтесь не потерять нюансы при восприятии материала.
В вводной главе мы даем обзор генетики, включая основные исторические
вехи, краткое описание принципов науки и последних разработок. Все из обсуждаемых
в главе тем будут рассмотрены в дальнейшем более детально. В последующих главах
книги мы вернемся к обсуждению некоторых разногласий и коснемся дебатов вокруг
ряда проблем. Полученные вами знания помогут в понимании проблем современной
генетики. Момент погружения в суть изучаемого предмета, пожалуй, самый волнующий,
но и требующий осторожности. Учитесь с удовольствием, но не забывайте о том,
что начинающие генетики также несут свою долю ответственности перед обществом.
1.1. У генетики богатая интересная история
Точно не известно, когда человечество распознало наследственную природу некоторых
признаков. Однако археологические находки, например, первобытное искусство, сохранившиеся
кости и черепа, высохшие зерна, указывают на успешное разведение человеком
домашних животных и культурных растений путем искусственной селекции диких
видов уже тысячи лет тому назад. Лошади, верблюды, овцы и волки были приручены
людьми между 800–1000 гг. до н.э. Примерно 5000 лет до н.э.началось культивирование
многих сельскохозяйственных растений, включая кукурузу, пшеницу, рис, финиковую
пальму. Это доказывает, что наши предки могли манипулировать видовым генофондом.
Древнегреческие философы одними из первых попытались объяснить наследование
признаков. Они связывали наследственность с происхождением человека, размножением
и наследственностью в широком смысле. Подобные объяснения мы находим в
трудах Гиппократа (500–400 гг. н.э.) и Аристотеля (384–322 гг. н.э.). Так, Гиппократ в
своем трактате о семени рассматривал в качестве носителей наследственности гумор,
находящийся в разных частях тела. Попадая в мужское семя, эти носители могут нести
болезни или здоровье, что отражается на состоянии потомства. Гумор может повреждаться
на протяжении всей жизни человека, поэтому потомство может наследовать
признаки, приобретенные их родителями.
Аристотель предполагал, что генеративная сила мужского семени находится в так
называемом жизненном центре. Этот центр обеспечивает появление потомства, сходного
по своим признакам с родителями. Аристотель считал, что женский организм – это
«физическая субстанция», дающая начало потомству посредством собственной крови.
Зародыш развивается не потому, что представляет собой миниатюрную копию человеческого
организма, как предполагал Гиппократ, а за счет энергии жизненного центра.
Несмотря на наивность и примитивизм этих теорий, к ним неоднократно возвращались
вплоть до 1800 г., до открытия мужских и женских половых клеток. Поэтому
идеи греческих философов были востребованы на протяжении веков.
1600–1850-е годы: на заре современной биологии
В течение почти 1900 лет (с 300 по 1600 гг. н.э.) не появилось ни одной значимой
теории наследственности. Однако во времена Римской империи селекция животных
и растений была обычным делом. В средние века ученые опасались развивать идеи
о наследственности из религиозных соображений. Это касается также теорий Гиппократа
и Аристотеля. Между 1600–1850 гг. появились исследования, которые позволили
глубже понять основы жизни: увидели свет работы Чарльза Дарвина и Грегора
Менделя. В 1600 г. английский анатом Уильям Харвей (1578–1657) написал трактат
о размножении и развитии, в котором он придерживался теории эпигенеза. Согласно
этой теории организм развивается из яйца, приобретая свойственную ему структуру
в процессе эмбрионального развития.
Теория эпигенеза противоречила взглядам, распространенным в XVII веке, что
половые клетки содержат уже готовый человеческий организм в миниатюре, так называемый
гомункулус (рис. 1.1). Теория преформации, то есть раннего формирования
человеческого организма, оставалась популярной вплоть до XVIII века. Примерно
в 1830 г. Маттиас Шлейден и Теодор Шванн на основании результатов, полученных
с помощью усовершенствованного микроскопа, предположили, что все организмы
состоят из клеток. Идея зарождения живых организмов из неживых компонентов была
опровергнута в конце века Луи Пастером. Стало общепринятым мнение, что живые
организмы происходят от живых предшественников и состоят из клеток. В середине
1800-х гг. Чарльз Дарвин и Грегор Мендель в своих основополагающих работах заложили
предпосылки для быстрого развития генетики в двадцатом и двадцать первом веках.
Чарльз Дарвин и эволюция
Завершим краткий исторический экскурс знакомством с трудами
Чарльза Дарвина. В 1859 г. он опубликовал свою работу « Происхождение
видов», в которой обосновал теорию эволюции. На основании многочисленных геологических, географических и биологических наблюдений он сделал вывод об изменчивости видов. В результате грандиозной экспедиции на корабле «Бигль»
(1831–1836) Дарвин дополнил свою теорию учением о естественном
отборе и попытался объяснить механизмы эволюции.
Независимо от Дарвина, принципы естественного отбора были
сформулированы Альфредом Уоллесом. Он утверждал, что в
популяции поддерживается большая численность особей (потомства),
чем это возможно в определенных условиях среды, что
обусловливает борьбу за существование. При этом организмы,
обладающие лучшей приспособленностью к данной среде, выживают
и размножаются эффективнее, чем менее приспособленные.
Небольшие, но дающие некоторое преимущество в выживании
модификации признаков могут накапливаться длительное время.
При изоляции определенной популяции, несущей такие наследственные изменения,
возможно образование новых видов.
Основной недостаток теории Дарвина, который подвергся справедливой критике
в двадцатом столетии, состоял в том, что изменчивость и наследственность не имели
под собой генетической базы. Почти одновременно с Дарвиным, в 1856–1863 годах,
Грегор Иоганн Мендель проводил эксперименты, результаты которых были опубликованы
в 1866 году. Мендель продемонстрировал статистические закономерности,
обусловливающие наследственность, и для объяснения этих закономерностей развил
теорию о наследственных факторах в зародышевых клетках. Но его работа была забыта
до 1900 г., времени повторного открытия обнаруженных им закономерностей Карлом
Корренсом, Гуго де Фризом и Эриком фон Чермаком.
В начале XX в. были открыты хромосомы, что подтвердило теорию эпигенеза.
Постепенно стало очевидно, что наследственность и развитие организма обусловлены
информацией, «записанной» в хромосомах и содержащейся в половых клетках
каждой особи. Таким образом, «бреши» в теории Дарвина заметно сократились. Законы
Менделя и по сей день представляют собой фундаментальные основы генетики.
1.2. Менее чем за век генетика выросла от законов
Менделя до структуры ДНК
Генетические процессы лежат в сердцевине биологической науки и жизни в целом.
Точка отсчета генетики как науки находится в конце 1850-х гг., в монастырском саду
Центральной Европы.
Труды Менделя по передаче признаков потомству
Августинский монах Грегор Мендель провел десятилетнюю серию экспериментов с
горохом. Количественный анализ признаков показал, что они передаются от родителей
потомству в предсказуемых пропорциях. В дальнейшем Мендель пришел к выводу,
что признаки контролируются парой генов и при образовании гамет (яйцеклеток и
сперматозоидов) гены каждой пары расходятся в половые клетки независимо друг от
друга. Опубликованная в 1866 г. работа Менделя долго оставалась неизвестной. Ее
стали цитировать лишь в 1900-х гг., после повторного открытия этих закономерностей.
Подтвержденные законы Менделя позволили объяснить передачу признаков у гороха
и других организмов. Они легли в основу генетики – области биологии, изучающей
наследственность и изменчивость. О Менделевской генетике идет речь в главах 3 и 4.
РЕЗЮМЕ
Работа Менделя на горохе установила принципы передачи генов от родителей потом-
ству и заложила основы науки генетики.
Хромосомная теория наследственности: законы Менделя и мейоз
Законы Менделя были открыты задолго до изучения структуры и роли хромосом. С помощью
усовершенствованного микроскопа исследователям удалось идентифицировать
хромосомы лишь спустя 20 лет после публикации трудов Менделя (рис. 1.2). Оказалось,
что представители каждого вида эукариот имеют в большинстве клеток специфическое
число хромосом, называемое диплоидным числом (2n). У человека диплоидное число
хромосом равно 46 (рис. 1.3). В диплоидных клетках хромосомы образуют пары, называемые
гомологичными хромосомами.
В конце девятнадцатого века ученые описали поведение хромосом во время деления
клеток в митозе и мейозе. В митозе хромосомы удваиваются и расходятся таким
образом, что в каждую дочернюю клетку попадает набор хромосом, идентичный родительскому (рис. 1.4). При мейозе в гамету попадает только одна из пары гомологов,
и гамета несет гаплоидное число хромосом (n). Уменьшение числа хромосом вдвое позволяет
поддерживать постоянство хромосомного состава в потомстве после слияния
гаплоидных гамет, и у вида в целом.
В начале двадцатого века Уолтер Саттон и Теодор Бовери независимо друг от друга
показали, что поведение хромосом в мейозе соответствует поведению генов в процессе
формирования гамет, описанному Менделем. Эти ученые предположили, что пары
генов находятся в соответствующих парных хромосомах и распределяются при образовании
гамет независимо (рис. 1.5). Они самостоятельно сформулировали хромосомную
теорию наследственности, которая утверждает: наследуемые признаки контролируются
генами, расположенными на хромосомах, и точно передаются в гаметы, поддерживая
в поколениях генетическое постоянство.
РЕЗЮМЕ
Хромосомная теория наследственности объясняет, как генетическая информация
передается из поколения в поколение.
Генетическая изменчивость
Почти одновременно с появлением хромосомной теории наследственности ученые
приступили к изучению наследования признаков у фруктовой мушки Drosophila
melanogaster. Сначала среди красноглазых мух дикого типа были обнаружены белоглазые
мухи (рис. 1.6). Это изменение окраски глаз вызвано мутацией в одном из
генов, контролирующих цвет глаз. Мутация – это любое наследуемое изменение в
последовательности ДНК, источник всей генетической изменчивости.
Белые глаза у Drosophila обусловлены мутантным аллелем гена, контролирующего
окраску глаз. Аллели представляют собой альтернативные формы гена. Разные аллели
могут обусловить различие наблюдаемых признаков, или разные фенотипы организма.
Набор алллелей, определяющих данный признак организма, называется генотипом.
Используя генные мутации в качестве маркеров, генетики могут картировать гены
на хромосомах (рис. 1.5).
Поиск химической природы генов: ДНК или белок?При исследовании белоглазых мух оказалось, что мутантный признак связан с единственной
хромосомой и это подтверждало идею о локализации генов на хромосомах.
Затем исследователи обратили внимание на поиск химических компонентов хромосомы,
несущих генетическую информацию. К 1920-м гг. уже выяснилось, что основными
составляющими хромосом являются белки и ДНК. Было идентифицировано
огромное количество различных белков с универсальным распределением их в ядре и
цитоплазме, поэтому многие ученые считали носителями генетической информации
именно белковые молекулы.
В 1944 г. Освальд Эмери, Колин Мак-Леод и Маклин Мак-Карти из Рокфеллеровского
института в Нью-Йорке опубликовали результаты экспериментов, доказывающие, что
у бактерий носителем генетической информации является ДНК. Однако эти ясные доказательства не убедили многих влиятельных ученых. Дополнительные доказательства
роли ДНК как носителя генетической информации были получены от исследователей,
работавших с вирусами. Эти, а также результаты последующих исследований позволили
основательно утверждать, что не белок, а именно ДНК является генетическим материалом.
На следующем этапе нужно было установить структуру молекул ДНК.
1.3. Открытие двойной спирали стало началом эры
молекулярной генетики
Когда выяснилось, что ДНК несет генетическую информацию, ученые сконцентрировались
на расшифровке структуры молекул ДНК, на механизмах хранения генетической
информации и ее проявления в фенотипе.
Структура нуклеиновых кислот
Двуспиральная структура ДНК и ее строение показаны на рис. 1.7. Молекулы ДНК
находятся в клетках в виде длинных спиралевидных структур, называемых двойной
спиралью. Каждая цепь такой спирали представлена полимерной молекулой, построенной
из нуклеотидов четырех типов. В состав нуклеотидов входят четыре азотистых
основания: А (аденин), G (гуанин), T (тимидин) и C (цитозин). Эти основания — своего
рода генетический алфавит, от различных комбинаций которого зависит состав
белковой молекулы. В 1953 г. было сделано одно из величайших открытий двадцатого
века. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предположили, что две цепи двуспиральной
молекулы ДНК в точности комплементарны друг другу, так что витки «лестницы»
всегда состоят или из пар А=Т, или G≡С. За исследование структуры ДНК Уотсон
и Крик вместе с Морисом Уилкинсом получили в 1962 г. Нобелевскую премию. Мы
обсудим структуру ДНК в гл. 9.
Как мы увидим в дальнейшем, комплементарность между аденином и тимидином, а
также между гуанином и цитозином достигается за счет водородных связей. Благодаря
комплементарности этих оснований происходит точная репликация молекулы ДНК и
дальнейшая транскрипция на молекулу РНК. Специальные ферменты строят на одной
из цепей молекулы ДНК, как на матрице, комплементарную цепь.
Молекулы РНК очень близки по строению к ДНК. Однако вместо остатка дезоксирибозы
они содержат остаток сахара рибозы, а тимидин замещен в РНК урацилом.
В отличие от двуспиральной ДНК, молекулы РНК обычно одноцепочечные и могут
формировать комплементарные структуры – гетеродуплексы – с одной из цепей ДНК.
Экспрессия генов: от ДНК к фенотипу
Генетическая информация, закодированная в виде определенной последовательности
нуклеотидов в молекуле ДНК, поэтапно экспрессируется и затем проявляется в фенотипе.
В эукариотических клетках этот процесс начинается с транскрипции в ядре.
Нуклеотидная последовательность одной из цепей молекулы ДНК служит матрицей
для построения комплементарной последовательности РНК, как показано вверху на
рис. 1.8. Затем молекула мРНК (messenger RNA) попадает в цитоплазму клетки и связывается
с рибосомами. Биосинтез белка на молекуле мРНК называется трансляцией
(в центре рис. 1.8).
Информация, закодированная в молекуле мРНК и называемая генетическим кодом,
представлена триплетами нуклеотидов, расположенных в определенной последовательности.
Каждый триплет, или кодон, комплементарен последовательности нуклеотидов
в ДНК и определяет позицию соответствующей ему аминокислоты в молекуле белка.
Белки – это полимеры, молекулы которых построены из аминокислот – мономеров
(внизу рис. 1.8). Обычно в состав белков входит 20 различных аминокислот.
В сборке молекулы белка участвуют адаптерные, или транспортные РНК ( тРНК).
Молекулы тРНК узнают кодоны мРНК и переносят соответствующие аминокислоты
в процессе сборки белка на рибосомах при трансляции.
Белки и их биологические функции
Итак, белки – это конечные продукты экспрессии генов. Белковые молекулы выполняют
множество различных функций и отвечают за важнейшие свойства живых организмов.
Комбинации 20 аминокислот, как и комбинации 20 букв алфавита, дают тысячи различных
«слов», обеспечивая разнообразие структур и функций белковых молекул.
Допустим, что молекула белка состоит всего из 100 аминокислотных остатков, причем
в каждой позиции находится любая из 20 аминокислот. Тогда число различных
молекул такой длины равно 20100. Поскольку 20100 превышает 5 × 1012, то есть больше
5 триллионов, то можно представить, насколько велико это число! Очевидно, что в
эволюции закрепился класс молекул с огромным потенциалом разнообразия, создающий
основу биологических систем.
Основной класс белков – это энзимы, или ферменты. Молекулы ферментов служат
биологическими катализаторами, обеспечивающими высокую скорость биохимических
реакций в живых организмах. Например, при участии ферментов снижается
энергия активации и метаболизм протекает при температуре человеческого тела.
Для функционирования клеток и организмов крайне важны такие белки, как
гемоглобин – кислород-связывающий белок эритроцитов, инсулин – гормон поджелудочной
железы, коллаген – белок в составе соединительной ткани, гистоны –
хромосомные белки, актин и миозин – сократительные белки мышц, иммуноглобулины
– белки в составе антител иммунной системы организма. Специфичные белки
входят в состав всех клеточных мембран и служат для регуляции экспрессии генов.
Огромное количество функций белков объясняется разнообразием их трехмерных
структур, образованных из уникальных линейных последовательностей аминокислот в
составе белковых молекул. Информация об этих последовательностях записана в генах
и передается молекуле мРНК, а затем в процессе трансляции – белковой молекуле.
Связь генотипа с фенотипом: серповидноклеточная анемия
Биохимические и структурные свойства синтезированного белка отражаются в фенотипе.
Мутация в гене может привести к изменению или полной утрате функций белка и
повредить фенотип. Чтобы проследить эту цепь событий, рассмотрим наследственное
заболевание человека – серповидноклеточную анемию.
Это заболевание вызвано мутантной формой гемоглобина – белка, который переносит
в клетки кислород из легких. Молекула гемоглобина состоит из двух белков –
α-глобина и β-глобина, кодируемых различными генами. При серповидноклеточной
анемии мутация в гене, кодирующем β-глобин, приводит к замене одной из 146 аминокислот
в молекуле этого белка. На рис. 1.9 показана часть последовательности ДНК,
а также соответствующие кодоны мРНК и аминокислотные последовательности в
нормальной и мутантной формах молекулы β-гемоглобина. Замена одного нуклеотида
в молекуле ДНК приводит к изменению кодона 6 мРНК с GAG на GUG и к замене
аминокислоты в позиции 6 с глутаминовой кислоты на валин. Эта мутация не затрагивает
другие 145 аминокислот в молекуле белка.
У носителей двух копий мутантного гена β-глобина развивается серповидно-клеточная
анемия. При низкой концентрации кислорода в красных кровяных клетках, развивается
анемия, вызванная недостаточностью красных кровяных клеток. Эритроциты
серповидной формы затрудняют кровоток в капиллярах и мелких кровеносных сосудах,
что обусловливает боли и нарушение работы сердца, мозга, мышц и почек. Все эти
симптомы обусловлены единственной однонуклеотидной заменой в гене, которая
приводит к замене одной из 146 аминокислот в молекуле белка β-глобина, наглядно
показывая взаимосвязь между генотипом и фенотипом.
РЕЗЮМЕ
Центральная догма молекулярной биологии объясняет, как гены контролируют феноти-
пы. Она гласит, что ДНК служит матрицей для РНК, которая направляет синтез белков.
1.4. Развитие технологии рекомбинантных ДНК стало
основой для клонирования ДНК
Эра рекомбинантных ДНК началась в первой половине 1970-х годов и связана с
открытием рестриктаз. Эти ферменты используются в бактериальных клетках для
разрезания вирусной ДНК и подходят для рестрикции любой ДНК в специфичных
сайтах нуклеотидной последовательности. В результате рестрикции образуется воспроизводимый
набор специфичных фрагментов ДНК.
Вскоре после этого нашли способы внедрения таких рестрикционных фрагментов
в молекулы ДНК, названные векторами, для получения рекомбинантных ДНК. В процессе
деления бактерий образуются тысячи копий, или клонов, т.е. фрагментов ДНК,
клонированной в вектор, которые можно затем выделить из хозяйских клеток. Эти
фрагменты используют для идентификации генов, изучения их структуры и функций,
нуклеотидной последовательности и эволюции.
Коллекции клонов, представляющие геномы организмов, – это все ДНК в составе
полных гаплоидных наборов хромосом, называемые геномными библиотеками. В настоящее
время доступны геномные библиотеки сотен видов.
Технология рекомбинантных ДНК не только ускорила исследования, но и привела
к созданию биотехнологической промышленности, которая вносит огромный вклад
в экономику США.
1.5. Значение биотехнологии постоянно возрастает
Использование методов рекомбинантных ДНК и других молекулярных подходов способствовало появлению биотехнологии. В США биотехнология преобразила многие
стороны повседневной жизни; в магазинах доступны полученные с помощью биотехнологии
продукты, они применяются в здравоохранении, сельском хозяйстве, судебной
системе. В гл. 19 эти аспекты биотехнологии обсуждаются более подробно, здесь мы
остановимся на некоторых примерах использования биотехнологических разработок.
Растения, животные и обеспечение продуктами питания
Применение рекомбинантных ДНК для получения генетически модифицированных
культурных растений стало революцией в сельском хозяйстве. В растения стали вносить
гены устойчивости к гербицидам, инсектицидам, а также повышающие питательную
ценность (табл. 1.1). Передача наследуемых признаков видам с помощью рекомбинантных
ДНК привела к созданию трансгенных организмов.
В США произрастает около 20 различных сортов трансгенных культурных расте ний,
и более 75 таких сортов, проходят полевые испытания. Первыми в середине 1990-х
годов на полях появились устойчивые к гербицидам сорта кукурузы и сои, которые
занимают сейчас 85% и 95% посевных площадей, соответственно. Известно, что более
75% продуктов питания, производимых в США, содержат компоненты трансгенных
растений.
Критики внедрения трансформированных растений утверждают, что использование
устойчивых к гербицидам культурных растений не исключает переноса этого, а также
других признаков в дикорастущие виды, что грозит необратимыми изменениями в
экосистемах.
Новые методы клонирования овец и коров изменили представление о
традиционном использовании домашних животных. В 1996 г. была клонирована
овца Долли (рис. 1.11). (Для клонирования Долли ученые Рослинского института
в Шотландии (г. Эдинбург) использовали эмбриональные и фибробластоподобные
клетки соединительной ткани плода, а также клетки молочной железы, полученные
от шестилетней овцы породы финн дорсет на последнем триместре беременности.
Деление клеток всех трех типов останавливали на определенной стадии, и клеточные
ядра пересаживали в безъядерные яйцеклетки реципиентной овцы. Долли развилась
из реконструированной яйцеклетки и фенотипически не отличалась от овец этой
породы, но сильно отличалась от овцы-реципиента. Она родилась 5 июля 1996 г., ее
потомки – шестеро ягнят, впоследствии Долли заболела артритом и раком легких, ее
усыпили в начале 2003 г. После овцы были клонированы и другие виды млекопитающих:
корова, мышь, свинья, собака. Серьезнейшие разногласия связаны с возможностью
применения данной технологии к человеку, во многих странах введен запрет
на подобные эксперименты. – Прим. перев.) Для этого ядро дифференцированной
клетки перенесли в яйцеклетку, из которой было удалено ее собственное ядро. Этот
метод позволил производить десятки и сотни потомков животного с желаемыми
признаками. Клонирование путем переноса ядра диплоидной клетки может
использоваться в сельском хозяйстве, спорте и медицине.
Биотехнология повляла на продукцию человеческих белков для медицинских
целей. Нужные для лечения белки можно теперь получать с помощью пересадки
соответствующих генов в клетки животных. Так, в 2009 г. из молока трансгенных коз
был получен белок, препятствующий свертыванию крови, который был одобрен
Федеральным департаментом США по продовольствию и медикаментам (FDA). Другие
человеческие белки, продуцируемые в клетках трансгенных животных, используются
в клинической практике для лечения некоторых заболеваний, включая эмфизему
легких. Биотехнологическая революция продолжается, появляются все новые методы
и разнообразные продукты.
Биотехнология в генетике и медицине
В США от различных генетических заболеваний страдает более 10 миллионов взрослых
и детей. Каждая супружеская пара в ожидании ребенка сталкивается с примерно
3%-ным риском проявления у новорожденного генетической аномалии. Уже известны
молекулярные основы сотен генетических заболеваний (рис. 1.12), а многие из ассоциированых с патологиями генов идентифицированы и клонированы. Основанное на
биотехнологических подходах генетическое тестирование стало доступным для пренатальной
диагностики наследственных заболеваний, для тестирования родителей и
определения возможного носительства генов предрасположенности к более чем 100
таких болезней. Новые методы сканирования всего генома позволяют установить
индивидуальный риск развития генетического заболевания и рождения больного
ребенка. Использование генетического тестирования и смежных с ним технологий
создает определенные этические проблемы, которые предстоит решать.
РЕЗЮМЕ
Биотехнология преобразила сельское хозяйство и фармацевтическую промышлен-
ность, в то время как генетическое тестирование внесло значительный вклад в диа-
гностику наследственных заболеваний.
1.6. Геномика, протеомика и биоинформатика – новые
быстро развивающиеся дисциплины
Использование технологии рекомбинантных ДНК для создания геномных библиотек
побудило ученых к секвенированию всех клонированных последовательностей, чтобы
получить полноразмерный геном. Это позволило бы идентифицировать любой из генов
и определить генные функции.
Один из таких проектов по секвенированию человеческого генома – Геном человека
– стартовал в 1990 г. и объединил усилия исследователей из разных стран. К 2003 г.
секвенирование кодирующей части генома было завершено как публичным проектом,
так и проектом, финансируемым частными фирмами.
По мере расшифровки новых последовательностей возникло несколько биологических
дисциплин. Так называемая геномика (изучение геномов) исследует структуру,
функции и эволюцию генов и геномов. Протеомика идентифицирует набор белков, представленных в клетке в определенных условиях, изучает функции этих белков и
межмолекулярные взаимодействия. Для хранения, извлечения и анализа массивов
данных, полученных геномикой и протеомикой, существуют информационные технологии,
называемые биоинформатикой. Они позволяют развивать программное и
системное обеспечение для обработки данных о нуклеотидных и аминокислотных
последовательностях.
Для решения экспериментальных задач за минуты, а не месяцы или годы современные
генетики и другие специалисты пользуются базами данных, которые содержат
информацию о последовательностях нуклеиновых кислот, белков и о генах. Раздел
«Исследовательская геномика», помещенный в конце многих глав этой книги, дает
возможность самостоятельно поработать с этими базами данных при выполнении
интерактивных упражений.
РЕЗЮМЕ
Технология рекомбинантных ДНК способствовала развитию новых дисциплин, включая
геномику, протеомику и биоинформатику, которые позволяют исследовать структуру
и эволюцию геномов, а также кодируемых ими белков.
1.7. В генетических исследованиях используются
модельные организмы
Повторное открытие законов Менделя в 1900 г. при работе с разнообразными организмами
подтвердило основные принципы наследования и их универсальность для
растений и животных. Постепенно генетики сосредоточились на небольшом количестве
модельных организмов, включая фруктовую муху (Drosophila melanogaster) и
мышь (Mus musculus) (рис. 1.13). Для этого было две причины: во-первых, выяснилась
общность генетических механизмов для большинства видов, во-вторых, эти модельные
организмы оказались очень удобными для генетических исследований. Их легко разводить,
жизненный цикл у них достаточно короткий, при этом они очень плодовиты,
а генетический анализ этих организмов несложен. Со временем был создан огромный
каталог мутантных линий этих организмов, а сами мутации досконально изучены,
охарактеризованы и картированы. Эти виды стали модельными организмами и активно
используются для исследования основных биологических процессов. В дальнейшем
мы увидим, как исследование модельных организмов проясняет многие вопросы биологии,
включая механизмы старения, опухолевого роста, работы иммунной системы
и поведения.
Модельные организмы в современной генетике
Постепенно генетики расширили список модельных организмов, включив в него
вирусы, например, Т-фагов и фаг лямбда, и микроорганизмы – бактерию Escherichia
coli и дрожжи Saccharomyces cerevisae (рис. 1.14).
Позже к этим видам присоединили другие организмы, три из них показаны на
фотографии в начале этой главы. Исследование каждого из таких видов позволяет
решать проблемы эмбрионального развития. На примере круглого червя Caenorhabditis
elegans исследуются развитие и функции нервной системы, поскольку нервная система
этой нематоды содержит лишь несколько сотен нервных клеток, судьбу которых, а
также и всех других клеток тела, можно проследить. Небольшое растеньице Arabidopsis
thaliana с коротким жизненном циклом стало моделью для изучения многих проблем
биологии растений. Полосатая рыбка Danio rerio используется для исследования развития
позвоночных, поскольку эти рыбки малы, быстро размножаются, а их икринки и личинки прозрачны.
Модельные организмы и болезни человека
Технология рекомбинантных ДНК и последующее секвенирование генома подтвердили
общность происхождения всего живого. Отсюда следует, что сходные по функции гены
разных организмов близки или идентичны по структуре и нуклеотидным последовательностям.
Поэтому большинство вопросов, изучаемых генетиками на модельных
организмах, помогают понять причины развития заболеваний у человека. Созданию
моделей человеческих болезней, например рака толстой кишки, способствовали трансгенные
организмы, включая бактерии, грибы, растения и животных, полученных путем
межвидового переноса генов (табл. 1.2.).
Идея исследования рака толстой кишки с помощью E. сoli может показаться странной.
Однако основные этапы репарации ДНК (дефектные при некоторых формах
рака), а также вовлеченные в них гены у кишечной палочки и человека совпадают:
например, гены mutL у E.coli и MLH1 у человека. Еще важнее то обстоятельство, что
бактериальные клетки делятся очень быстро, каждые 20 минут. Поэтому ученые могут
легко моделировать и изучать мутации гена mutL для выяснения его функций. Эти
знания способствовали созданию лекарственных препаратов и развитию методов
лечения рака толстой кишки у человека.
Фруктовая муха D. melanogaster также используется для изучения заболеваний
человека. У дрозофилы обнаружены мутации генов, обусловливающие аномалии
нервной системы, включая структуру мозга и дегенеративные изменения нервной
системы у взрослых насекомых. Геномное секвенирование показало, что почти все
эти гены имеются у человека. Например, человеческие гены, отвечающие за сложное
заболевание сетчатки глаза – пигментный ретинит – идентичны генам Drosophila,
вовлеченным в дегенеративные изменения сетчатки. Изучение мутаций этих генов у
мух позволяет проанализировать сложное заболевание человека для идентификации
функций вовлеченных в него генов.
Другой подход при исследовании заболеваний нервной системы человека состоит
в в переносе человеческих генов в клетки дрозофилы с помощью рекомбинантных
ДНК. Трансгенные мухи служат для изучения мутаций в человеческих генах, ассоциированных
с заболеванием, а также в генах, которые нарушают их экспрессию.
Кроме того, на этой модели можно исследовать действие лекарственных препаратов
на экспрессию генов – все, что трудно или невозможно изучать у человека
напрямую. Подход с переносом генов активно используется для изучения многих
нейродегенеративных заболеваний человека, включая болезнь Гентингтона, болезнь
Мачадо–Джозефа, миотоническую дистрофию и болезнь Альцгеймера.
Читая эту главу, вы много раз столкнулись с упоминанием модельных организмов
и успели хорошо с ними познакомиться. Действительно, у всех из них не только
богатая история участия в научных исследованиях по генетике. Они внесли большой
вклад в исследования генетических и инфекционных заболеваний человека. Однако
пока не достигнуто полное понимание того, как и когда можно использовать трансгенные
модели с соблюдением всех норм безопасности и этики.
РЕЗЮМЕ
Изучение модельных организмов позволяет понять причины заболеваний и основы
здоровья человека. Это направление генетики и биотехнологии быстро меняет нашу
повседневную жизнь.
1.8. Мы живем в эру генетики
В своей работе, представленной научной общественности на собрании Общества
естественной истории в Брно (Моравия) в 1865 г., Мендель описал результаты десятилетнего
изучения наследования признаков у гороха. Спустя почти 100 лет, в 1962 г.
Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии
за работы по расшифровке структуры ДНК. Этот промежуток времени вместил
подтвержедние законов Менделя, открытие генов на хромосомах, экспериментальное
доказательство роли ДНК в кодировании генетической информации, создание молекулярной
основы для анализа репликации ДНК. Быстрое развитие генетики от опытов
Менделя в монастырском саду до проекта Геном человека отражено на рис. 1.15.
Нобелевские премии в области генетики
Ни в одной из научных дисциплин открытия не вызывали такого информационного
взрыва и столько волнения, как в генетике. О научном вкладе генетики можно судить
по списку лауреатов Нобелевской премии, начиная с двадцатого века и кончая
современностью (см. начало книги). Нобелевские премии в области физиологии и
медицины, а также химии регулярно вручаются генетикам и ученым из смежных с
ней наук. Первая из таких премий была вручена Томасу Моргану в 1933 г. за создание хромосомной теории наследственности. Затем последовало множество работ, включая
открытие генетической рекомбинации, анализ взаимоотношений между генами
и белками, изучение структуры ДНК, открытие генетического кода. В наступившем
столетии вклад генетиков в биологию был отмечен Нобелевскими премиями 2002, 2006
и 2007 г. В 2009 г. Нобелевскую премию по медицине и физиологии получили Элизабет
Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак за открытие структуры и функций теломер
на концах эукариотических хромосом. В 2010 г. эту премию получил Роберт Эдвардс
за разработку оплодотворения in vitro, а в 2009 – Венкатраман Рамакришнан, Томас
Стейц и Ада Йонат за исследование структуры и функций рибосом. (В 2011 г. лауреатами
Нобелевской премии за работы по изучению активации врожденного иммунитета
стали Жюль Хоффман, Брюс Бётлер, Ральф Стайман; в 2012 г. – Джон Гёрдон и Синья
Яманака – за работы в области биологии развития и получение индуцированных
стволовых клеток; в 2013 г. – Джеймс Ротман, Рэнди Г. Шекман и Томас Зюдхоф – за
открытие механизмов регуляции везикулярного транспорта. – Прим. перев.)
Генетика и общество
Генетические исследования и их влияние на общество никогда еще не были столь
значимыми, как в настоящее время. Биотехнологические приложения генетики развиваются
намного быстрее, чем социальные конвенции, общественная политика
и правовые нормы, регулирующие их применение на практике. Обеспокоенность
общественности вызывает пренатальное тестирование, генетическая дискриминация,
владение генами (ДНК), доступность и безопасность генотерапии и генетическая
конфиденциальность. По мере прочтения этой книги появится достаточно доводов в
пользу того, что мы живем в Эру генетики, а это обязывает нас участвовать в диалоге
между наукой и практикой.
РЕЗЮМЕ
Генетические технологии оказывают огромное влияние на общество, а научные раз-
работки опережают политические и правовые нормы, регулирующие их применение.
ГЕНЕТИКА, ТЕХНОЛОГИЯ И ОБЩЕСТВО
Научные и этические последствия достижений современной генетики
В конце многих глав этой книги читатель может найти раздел, посвященный взаимоотношениям генетики, технологии и общества. В этих разделах обсуждаются вопросы, связанные с вкладом генетики в повседневную жизнь человека и общества в целом.
Современная генетика затрагивает все аспекты жизни, резко изменяет медицину,
сельское хозяйство, биотехнологию, фармацевтическую промышленность и судопроизводство
и право. Врачи пользуются сотнями генетических тестов для диагностики и прогноза
болезней, а также для выявления внутриутробных генетических нарушений. На
основании результатов анализа ДНК ученые исследуют эволюцию видов, включая человека.
В сельском хозяйстве выращиваются устойчивые к заболеваниям и засухе сорта
культурных растений и более продуктивные породы животных, полученные путем переноса
генов. Правоохранительные органы используют ДНК-профили для установления
отцовства, при расследовании изнасилований и убийств. Биотехнология позволила
создать более 700 000 рабочих мест с ежегодной прибылью $ 50 биллионов, удваивая эти
показатели каждое десятилетие. Быстрое развитие генетических технологий
вызвало изменение этических норм. Кто должен владеть генетической информацией и контролировать ее потоки? Насколько генномодифицированные сельскохозяйственные
растения и животные безопасны для человека и окружающей среды? Можно ли быть уверенным в широкой доступности геномных технологий не только для состоятельных людей? Каковы возможные социальные последствия внедрения новых репродуктивных технологий? Пришло время, когда для принятия решений в личной или общественной жизни
любому человеку необходимы знания в области генетики.
Каждый раздел «Генетика, технология и общество» представлен в интерактивной
форме. В разделе «Ваше мнение» можно найти несколько вопросов для размышления со ссылками на информационные ресурсы, помогающие найти ответы. Вопросы построены таким образом, чтобы стать отправной точкой для индивидуального исследования, а также изучения темы в аудитории или в группе студентов.
Мы надеемся, что раздел «Генетика, технология и общество» окажется интересным и будет стимулировать дальнейшее изучение
проблем современной генетики. Полезного чтения!
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ГЕНОМИКА
ИНТЕРНЕТ-ресурсы для изучения геномики, протемионики и биоинформатики
Область изучения: исследовательская генетика
В книге представлен также специальный раздел «Исследовательская геномика».
Геномика – это одна из наиболее быстро ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ГЕНОМИКА
развивающихся дисциплин генетики. Новая информация накапливается в этой области
с поразительной быстротой. С учетом темпов развития геномики, протеомики,
биоинформатики и других «омик» изучение современной генетики представляет действительно сложную задачу! Поэтому генетики, молекулярные биологи и другие специалисты для обобщения и сравнения новых данных пользуются электронными базами.
Цель разделов «Исследовательская геномика», помещенных в конце многих глав,
познакомить читателей с такими базами данных в интернете, которыми пользуются
ученые всего мира для сбора, анализа, организации, сравнения и хранения результатов
исследований по геномике, протеомике и смежным областям науки. Мы научимся пользоваться этим невероятным ресурсом новой информации и сравним самые лучшие
из доступных в мире ресурсов; будем использовать биоинформационные методы для
анализа данных о последовательностях и их структуре, имеющихся в этих базах. В упражнениях к этому разделу подобраны соответствующие базы данных или программы,
которые используются в науке. Это позволяет расширить и закрепить полученные знания. Упражнения учат ориентироваться в базах данных, но не обязательно ограничиваться
этими заданиями. Весьма занимательно исследовать эти базы данных самостоятельно,
чтобы научиться получать самую свежую информацию по любому интересующему вас
вопросу. Приятных изысканий!
СЛУЧАЙ
ИЗ ПРАКТИКИ
Основы генетики вне аудитории
Для того чтобы полученные знания по генетике применялись в повседневной жизни, в
каждой из глав книги, начиная со второй, кратко рассматривается случай из практики
и соответствующие вопросы. Каждый из примеров акцентирует внимание на одном из
принципов генетики, описанном в данной главе, и демонстрирует применение этого
принципа в жизни. В их число входят такие вопросы, как генетическое тестирование и
диагностика, репродуктивные возможности и более широкие проблемы общественного
здоровья, использования и ограничений генетических технологий, а также примеры,
иллюстрирующие единство и разнообразие живых организмов.
Многие из практических примеров и сопутствующие им вопросы могут использоваться
для обсуждения во время учебных занятий, для групповых проектов, в отчетах
и презентациях. Эти ресурсы помогут в обучении и в приложении полученных знаний
на практике.
Учебный сайт для самостоятельной работы, анимации и вопросов:
www.masteringgenetics.com
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ1.
Расскажите о выводах Менделя, касающихся передачи признаков из поколения в поколение.
2. В чем суть хромосомной теории наследственности и как она связана с открытиями Менделя?
3. Дайте определение генотипа и фенотипа, как они взаимосвязаны?
4. Что такое аллели? Всегда ли гены имеют два аллеля?
5. Расскажите об уровне генетики во время экспериментов Эвери, МакЛеода и МакКарти.
Почему некоторые ученые с трудом воспринимали ДНК в качестве носителя генетической
информации?
6. Сравните хромосомы и гены.
7. Каким образом закодирована генетическая информация в молекуле ДНК?
8. Какова центральная догма молекулярной генетики, и почему она положена в основу современной
генетики?
9. Сколько различных белковых молекул с уникальной последовательностью аминокислотных
остатков можно построить из пяти аминокислот?
10. Расскажите о роли рестриктаз и векторов при клонировании ДНК.
11. Какова роль биотехнологии в селекции злаковых культур в США?
12. Приведите аргументы за и против патентования генетически модифицированных организмов.
13. В геноме человека около 20 000 генов. К настоящему времени патенты могут быть получены на 6000 генов. Возможно ли получение такого числа патентов компаниями или отдельными людьми? Аргументируйте свой ответ.
14. Как использование модельных организмов расширяет наши знания о генах, контролирующих
заболевания человека?
15. Допустим, что ваша семья отягощена наследственным заболеванием с поздним проявлением
в фенотипе и вы можете пройти тестирование в двадцатилетнем возрасте. Хотелось бы вам
знать о своем носительстве наследственной патологии? Изменилась бы в этом случае ваша
жизнь по достижении 40 лет?
16. Почему за открытия в генетике так часто вручаются Нобелевские премии?
Глава 2
МИТОЗ И МЕЙОЗ
Содержание главы
Генетическая непрерывность поколений клеток при бесполом и половом размножении
организмов поддерживается посредством митоза и мейоза, соответственно.
_ В диплоидных эукариотических клетках генетическая информация содержится
в парах гомологичных хромосом: один гомолог получен от материнской клетки,
второй – от отцовской.
_ Благодаря митозу при размножении клеток хромосомы удваиваются и поровну
расходятся в дочерние клетки.
_ В процессе мейоза каждая гамета или спора получает по одной из пары гомологов
и диплоидное число хромосом уменьшается до гаплоидного.
_ В результате мейоза при распределении гомологов возникают различные комбинации
материнских и отцовских хромосом в гаметах и спорах.
_ Именно на стадиях митоза и мейоза генетический материал конденсируется в
виде дискретных структур, называемых хромосомами.
Все живые организмы содержат наследственный материал в виде ДНК или РНК (как у
некоторых вирусов), который организован в гены, а гены – в хромосомы. Существуют
очень точные механизмы передачи хромосом от клетки к дочерним клеткам и от одного
поколения организмов другому поколению. В этой главе мы рассмотрим, как поддерживается
генетическая преемственность между клетками и целыми организмами.
Для поддержания такой генетической непрерывности у эукариот существуют два
процесса: митоз и мейоз. Механизмы этих двух процессов довольно сходны, однако
результаты – различны. В результате митоза образуются две дочерние клетки с одинаковыми
наборами хромосом, идентичными родительскому. В результате мейоза
каждая дочерняя клетка получает половину хромосом родительской клетки, это необходимо
для полового размножения. Строго говоря, митоз – это часть клеточного
цикла, когда хромосомы поровну расходятся в дочерние клетки. Мейоз – специальное
деление клеток с образованием половых клеток: гамет и спор – важный этап в передаче
генетической информации от родителей потомству. Как правило, во время митоза и
мейоза в клетке видны хромосомы, в другие моменты жизни клеток хромосомы представлены
хроматином, то есть деконденсированы и выглядят в виде рыхлой диффузной
сети. Сначала мы вкратце познакомимся с клеточной структурой, а затем рассмотрим
поведение хромосом во время делений клетки.
2.1. Структура клетки тесно связана с генетической
функцией
До 1940 г. клеточную структуру можно было исследовать только под световым микроскопом.
В 1940 г. появились простейшие, а к 1960 г. – более совершенные электронные
микроскопы, позволяющие изучать ультраструктуру клеток. Были обнаружены многочисленные
клеточные мембраны, органеллы, микротрубочки, гранулы и филаменты.
На рис. 2.1 показана структура типичной животной клетки.
Содержимое клеток окружено плазматической мембраной, которая ограничивает
клетку от окружающей среды. Мембрана активно контролирует поступление веществ
в клетки и их вывод из клеток. Растительные клетки покрыты поверх мембраны клеточной
стенкой, состоящей, в основном, из целлюлозы.
Большинство, если не все, животные клетки обладают плазматической мембраной,
называемой гликокаликс, или клеточная оболочка, которая состоит из гликопротеинов
и полисахаридов, отличающихся по своей структуре от компонентов растительных и
бактериальных клеток. Известно, например, что на поверхности красных кровяных
клеток – эритроцитов, а также на клетках других типов обнаруживаются различные
клеточные маркеры: антигены АВО, АВ, Rh и MN. Другие клетки несут на своей
поверхности антигены гистосовместимости, обусловливающие иммунный ответ на
чужеродные ткани или органы при их трансплантации. На поверхности клеток находятся
и многие рецепторы, которые распознают определенные молекулы, проходящие
через мембрану клетки.
В зависимости от наличия в клетках ядра живые организмы подразделяют на две
большие группы. В эукариотических клетках содержатся ядро и другие клеточные
компоненты, окруженные мембраной. В ядре содержится ДНК, представленная в
виде длинных нитей, состоящих из дезоксирибонуклеиновой кислоты и основных
белков. Диспергированные раскрученные фибриллы в интерфазном ядре называются
хроматином, в процессе клеточного деления они конденсируются в хромосомы. В ядре
находится одно или несколько ядрышек – аморфных структур, где синтезируется рибосомная
РНК (рРНК) и происходит сборка рибосом. Районы хромосом, кодирующие
рРНК, называются ядрышковыми организаторами (ЯОР). В клетках прокариот ядро и окруженные мембранами органеллы отсутствуют. У бактерий и, в частности, у кишечной
палочки Еscherichia сoli молекула ДНК занимает довольно большую область клетки, называемую нуклеоидом, при этом часть молекулы ДНК может быть окружена мембраной. ДНК в составе нуклеоида слабо спирализована и не образует структур типа эукариотических
хромосом, митоз у прокариот также отсутствует. Процесс деления бактериальной
клетки и нуклеоиды показаны на рис. 2.2. Итак, прокариотические клетки
не содержат ядра, но в ДНК прокариот имеются гены, кодирующие рРНК.
В цитоплазме эукариотической клетки находятся клеточные органеллы. Сама цитоплазма
представляет собой коллоидный раствор – цитозоль, окружающий органеллы
и пронизанный целой системой микротрубочек, которые образуют цитоскелет. Эта
структура, состоящая, в основном, из тубулиновых микротрубочек и актиновых микрофиламентов, поддерживает форму клеток, способствует ее подвижности и служит
внутриклеточным матриксом.
Цитоплазму разделяют на отдельные отсеки – компартменты – сеть внутриклеточных
мембран, или эндоплазматический ретикулум (ЭР). Гладкий ЭР служит для синтеза жирных кислот и фосфолипидов, а шероховатый ЭР покрыт рибосомами,
участвующими в синтезе белков.
Как животные, так и растительные клетки содержат митохондрии, необходимые
для дыхания и метаболизма клеток. В результате протекающих здесь химических реакций
образуются богатые энергией молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). В клетках
большинства растений, водорослей и некоторых простейших имеются хлоропласты, в
которых происходят реакции фотосинтеза. В митохондриях и хлоропластах содержатся
кольцевые молекулы ДНК, несколько отличающиеся от ядерной ДНК и напоминающие
генетический аппарат прокариот. В митохондриях и хлоропластах существует
собственный аппарат транскрипции и трансляции генов мтДНК и хлДНК. Помимо
сходства генетического аппарата между органеллами и прокариотами имеются и другие
общие черты, указывающие на их происхождение от организмов, некогда живших в
симбиозе с простейшими эукариотическими клетками. Такое эволюционное происхождение
данных органелл допускается с принятием гипотезы эндосимбионтов.
В клетках животных и некоторых растений содержатся парные центриоли. Они
находятся в центромерах и участвуют в организации веретена деления в митозе и
мейозе. У ряда организмов центриоли происходят из базального тельца, участвующего
в формировании ресничек и жгутиков. Долгое время считалось, что центриоли и
базальное тельце содержат ДНК, вовлеченную в репликацию этих структур, однако
эти предположения не подтвердились.
Веретено деления образуется при участии центриолей на ранних стадиях митоза и
мейоза и состоит из микротрубочек, которые прикрепляются к центромерным участкам
хромосом и играют важную роль в их расхождении в процессе деления клетки.
Микротрубочки построены из полимерного белка тубулина.
РЕЗЮМЕ
Большинство клеточных компонентов прямо или косвенно вовлечено в генетические
процессы.
2.2. Гомологичные хромосомы, гаплоидия
и диплоидия
Хромосомы хорошо видны во время митоза, когда они принимают определенную
форму и имеют соответствующую длину. На каждой хромосоме виден более плотный
конденсированный участок – центромера. От положения центромеры в различных
точках по длине хромосом зависит общий вид хромосомы (рис. 2.3). По обе стороны от
центромеры находятся хромосомные плечи. Как показано на рис. 2.3, хромосомы могут
быть метацентрическими, субметацентрическими, акроцентрическими и телоцентрическими.
Короткое плечо хромосомы принято обозначать буквой р (от фр. «petite» – маленький),
а длинное плечо – буквой q (следующая по алфавиту буква после «р»).
При исследовании митоза нужны и другие характеристики хромосом. Во-первых,
большинство соматических клеток содержит диплоидное число хромосом (2n). Вовторых,
практически все хромосомы представлены парами с характерной длиной
и положением центромеры. Члены каждой такой пары называются гомологичными
хромосомами. Но в этих правилах есть исключения.
У большинства бактерий и вирусов имеется всего одна хромосома, а у дрожжей,
плесневых грибов и некоторых растений, к примеру, мхов, преобладает гаплоидная фаза жизненного цикла. Другими словами, на протяжении почти всей жизни их клетки
содержат только по одной хромосоме из пары гомологов.
На рис. 2.4 показан внешний вид гомологичных хромосом человека. Если сфотографировать
хромосомный набор и затем разложить его на пары гомологичных хромосом, то получится кариотип. У человека 2n = 46, и каждая из 46-ти хромосом состоит из
двух хроматид, соединенных в районе центромеры. В мейозе сестринские хроматиды
каждой хромосомы расходятся в дочерние клетки с гаплоидным (n) набором хромосом.
Совокупность генов, входящих в гаплоидный набор хромосом, называется геномом.
Геном содержит копии всех генов и большое количество некодирующей ДНК.
В табл. 2.1 представлен широкий спектр генотипов различных животных и растений.
Гомологичные хромосомы содержат одинаковые гены в определенных участках
хромосом, называемых локусами, то есть они генетически идентичны. У организмов,
размножающихся половым путем, одна из гомологичных хромосом происходит от
матери (из яйцеклетки), а другая – от отца (из сперматозоида). Поэтому диплоидный
организм содержит две копии каждого гена, полученных от двух родителей. Каждая
из копий гена обусловливает одинаковые признаки или другие свойства организма.
В популяции, состоящей из особей одного вида, имеются различные альтернативные
формы одного гена, называемые аллелями.
В процессе мейоза во время формирования гамет или спор из диплоидных клеток
образуются клетки с гаплоидным набором хромосом. Таким образом, гаметы или споры
содержат по одной из пары гомологичных хромосом. При оплодотворении происходит
слияние двух гамет, и у зиготы восстанавливается диплоидный набор хромосом,
состоящий из двух гаплоидных наборов, по одному набору от каждого родителя. Это
постоянство поддерживается из поколения в поколение.
Однако у многих видов имеются так называемые половые хромосомы, которые обычно
не имеют гомологичной по размеру и конфигурации парной хромосомы. У человека,
например, женский пол несет две гомологичных Х-хромосомы, а мужской – одну Y- и
одну Х-хромосому (рис. 2.4). Половые хромосомы человека не вполне гомологичны
друг другу: Y-хромосома значительно мельче Х-хромосомы и не содержит ряда генов,
локализованных в Х-хромосоме. Но в процессе мейоза эти хромосомы ведут себя как
гомологи, поэтому мужские гаметы содержат либо Х-, либо Y-хромосому.
РЕЗЮМЕ
У диплоидных организмов хромосомы представлены парами гомологов, одинаковых
по размеру, положению центромеры и набору генов. Одна из гомологичных
хромосом имеет материнское, а другая – отцовское происхождение.
2.3. Митоз и деление клетки
Митоз, как часть клеточного цикла, лежит в основе бесполого размножения у одноклеточных
простейших, некоторых грибов и водорослей. Жизнь многоклеточного
организма начинается с одной оплодотворенной яйцеклетки – зиготы, деление которой
обеспечивает рост и развитие такого организма. Активные митотические деления наблюдаются
и при замещении клеток в какой-либо ткани, например, при залечивании
ран или при замене отмирающих клеток эпидермиса. Благодаря митозу, у позвоночных
происходит постоянное пополнение красных кровяных клеток – эритроцитов, которые
образуются из ретикулоцитов (нестареющие красные кровяные клетки). Эритроциты
утрачивают в процессе клеточной дифференцировки свое ядро. В аномальных случаях
наблюдается неконтролируемое деление соматических клеток и развивается опухоль.
В процессе митоза между дочерними клетками распределяется и наследственный
материал клетки, то есть происходит кариокинез, требующий большой точности в
репликации и делении хромосом. В результате формируются две дочерние клетки с
хромосомным набором, идентичным родительскому.
Вслед за кариокинезом происходит деление цитоплазмы, или цитокинез, когда
содержимое клетки делится пополам, и новые клетки покрываются мембраной.
Цитоплазматические органеллы также реплицируются или синтезируются de novo (заново),
распределяясь в дочерние клетки примерно поровну. В результате по размеру дочерние
клетки приблизительно вдвое меньше родительской, однако имеют такое же ядро.
Если измерить количество ДНК в ядре новой клетки, то оно в точности соответствует
количеству ДНК в родительской клетке до ее репликации.
Интерфаза и клеточный цикл
Жизненный цикл многих клеток представляет собой постоянное чередование фаз деления
и покоя. События, происходящие в период после окончания одного деления клетки
до начала другого деления, – это клеточный цикл (рис. 2.5). Сначала рассмотрим период
между делениями клетки, называемый интерфазой. Раньше считалось, что в интерфазе
происходят лишь рост и функционирование клетки. Однако оказалось, что в интерфазе
наблюдается очень важная подготовка к митозу, а именно: репликация ДНК в составе
хромосом. Период синтеза ДНК получил название S-фазы (от англ. synthesis). Начало
и конец синтеза ДНК можно проследить по включению радиоактивно меченых предшественников ДНК (в частности, аденозинтрифосфата) в ядро клетки.
Интерфаза включает два периода интенсивного метаболизма, роста и дифференцировки,
как и в S-фазе, но без репликации ДНК. Эти фазы обозначены G1 (gap I) и
G2 (gap II) (от англ. gap – промежуток, интервал). К концу фазы G2 объем клетки и
ее хромосомы удваиваются, начинается митоз (М). После деления клеточный цикл
вновь повторяется: G1, S, G2, М (рис. 2.5).
Наблюдения за клетками, растущими в культуре (in vitro), показали, что клеточный
цикл занимает около 16-ти часов, причем на митоз приходится всего около часа. Продолжительность S-фазы и периода G2 зависит от типа клеток, и наиболее вариабельной
является длительность фазы G1. На рис. 2.6 показана относительная длина этих
интервалов в типичной клетке.
Фаза G1 представляет наибольший интерес, поскольку во второй половине этой
фазы клетка либо вступает на путь пролиферации, и в ней начинается синтез ДНК, либо попадает в фазу покоя G0 (см. рис. 2.5). В клетках в фазе покоя происходят все
обменные процессы, но они не делятся. Есть клетки, например раковые, которые или
вовсе не вступают в фазу покоя, или проходят ее очень быстро, другие клетки могут
постоянно пребывать в фазе G0, не вступая в митоз. Однако при стимуляции покоящихся
клеток они могут вступать в новый клеточный цикл.
В интерфазном ядре не видно хромосом – оно заполнено диффузным хроматином
(рис. 2.7 (а)). После завершения фаз G1, S и G2 начинается митоз – динамичный процесс,
в котором выделяют несколько стадий: профазу, прометафазу, метафазу, анафазу
и телофазу. Цитологические фотографии этих стадий представлены на рис. 2.8.
Профаза
В стадии профазы, которая занимает более половины митоза, происходит несколько
важных событий (рис. 2.7 (b)). В животной клетке на стадии ранней профазы наблюдается
расхождение двух пар центриолей из области центромеры, расположенной
близко к клеточному ядру, к разным полюсам клетки. Эти структуры, называемые
центросомами, обнаружены на поверхности ядерной оболочки, в области дифференцированной цитоплазмы. Считается, что каждая пара центриолей состоит из одной
зрелой и одной более мелкой дочерней центриоли.
Центириоли1 мигрируют к противоположным полюсам клетки и отвечают за организацию
цитоплазматических микротрубочек, формирующих веретено деления между
полюсами клетки, – ось, вдоль которой и расходятся к этим полюсам хромосомы.
Интересно, что в клетках подавляющего большинства растений (за редким исключением),
грибов и многих водорослей центриолей не обнаружено, хотя в митозе веретено
деления у них образуется.
По мере движения центриолей к полюсам клетки ядерная оболочка и ядрышки
исчезают, а диффузный хроматин конденсируется, формируя отдельные хромосомы.
К концу профазы каждая из хромосом представлена двумя хроматидами, соединенными
между собой в области центромеры. Хроматиды появились в результате репликации
ДНК в составе хромосом, поэтому сестринские хроматиды идентичны друг другу.
Сестринские хроматиды удерживает вместе когезин – белковый комплекс, состоящий
из множества субъединиц. Этот комплекс формируется между хроматидами в S-фазе
клеточного цикла после репликации ДНК. Хотя хроматиды в интерфазе и невидимы,
поскольку хроматин деспирализован и диспергирован в ядре, они уже удвоены
и разойдутся в поздней профазе. На цитологических препаратах поздней профазы в
клетках человека с 2n = 46 видно, что удвоенные длинные хромосомы располагаются
в центре клетки случайным образом.
Прометафаза и метафаза
Начало движения хромосом к разным полюсам клетки наблюдается в прометафазе, а в
метафазе хромосомы располагаются по экватору клетки, как показано на рис. 2.7 (с).
Видно, что хромосомы сосредоточены посередине клетки, перпендикулярно к микротрубочкам
веретена деления, в виде так называемой метафазной пластинки.
Миграция хромосом к полюсам клетки происходит благодаря тому, что микротрубочки
веретена прикрепляются к особым структурам центромер – кинетохорам на
каждой из сестринских хроматид. Кинетохор представляет собой пластинку, которая
состоит из множества белковых слоев и прикрепляется к микротрубочкам веретена.
Прикрепившиеся к микротрубочкам веретена молекулы когезина деградируют под
воздействием фермента сепаразы, и сестринские хроматиды разъединяются, кроме
прицентромерной области. В центромерном районе когезин защищен от гидролиза
специальным белком шугошином (от японск. хранитель духа), который рекрутируется
прицентромерным гетерохроматином. Вовлеченность белковых комплексов когезина
и шугошина в структуру сестринских хроматид схематически изображена на рис. 2.8.
К концу метафазы все хромосомы расположены случайным образом по экватору
клетки и прикреплены к нитям веретена (рис. 2.7 (d)).
РЕШИМ ЗАДАЧУ
2.1. Это новая рубрика содержит примеры задач, сходных с задачами и вопросами в конце
каждой главы и отражающих изложенный в них материал. В рубрике дается комментарий к
данной задаче и аналитическая подсказка для ее решения. Вот первая задача:
Диплоидное число хромосом у организма равно 16. Сколько хроматид мы увидим в конце
профазы митоза?
Подсказка. Для решения этой задачи важно понять, что происходит с гомологичными хромосомами в митозе, и применить эти знания к поведению хромосом в данном случае. Важно, что в митозе гомологичные хромосомы не спарены и расходятся независимо друг от друга.
Анафаза
Анафаза – самый короткий период мейоза, во время которого сестринские хроматиды
каждой из хромосом расходятся к полюсам делящейся клетки. Сначала хромосомы
разделяются в области центромеры и в виде дочерних хромосом, прикрепленных в
области центромеры к микротрубочкам веретена, мигрируют к полюсам. Как показали
недавние исследования, такое движение возможно благодаря особым белкам
веретена, так называемым моторным пептидам, которые используют энергию расщепления
молекул АТФ. При движении хромосом центромеры движутся к полюсам
клетки, увлекая за собой хромосомные плечи, при этом отчетливо видна морфология
хромосом (рис. 2.3).
Благодаря точному расхождению хромосом к полюсам клетки каждая из дочерних
клеток получает одинаковый набор, например, 46 хромосом у человека. Цитологическая
картина поздней анафазы видна на рис. 2.7 (е).
Телофаза
Конечная стадия митоза – телофаза – показана на рис. 2.7 (f). В начале телофазы на
полюсах делящейся клетки видны два диплоидных набора хромосом. Затем наступает
цитокинез – деление цитоплазмы на две равные части – будущие дочерние клетки.
После этого в растительных клетках по ее экватору (на месте метафазной пластинки)
формируется клеточная стенка. В животных клетках также образуется тонкая перемычка
по центру клетки, а затем формируются две дочерние клетки.
В зависимости от типа клеток и организма процесс цитокинеза протекает поразному.
Растительные клетки, имеющие более четкую форму и относительно жесткую
структуру, окружены поверх клеточной мембраны клеточной стенкой. Заложенная во
время телофазы клеточная стенка становится срединной пластинкой. Поэтому с обеих
сторон цитоплазматической перемычки между дочерними клетками находятся первичный
и вторичный слои клеточной стенки, которые располагаются между клеточной
мембраной и срединной пластинкой. Мембрана животной родительской клетки,
полностью разделившейся на дочерние, формирует на месте цитоплазматической
перетяжки клеточный желобок.
В поздней телофазе наблюдается переход новых клеток в интерфазу. Эти события
в обратном порядке повторяют события профазы. В каждой новой клетке происходит
деспирализация хромосом, и хроматин вновь становится диффузным, ядро покрывается
оболочкой, и формируются ядрышки. Микротрубочки веретена деградируют и
исчезают из поля зрения, после чего клетка вступает в интерфазу.
Регуляция клеточного цикла и сверочные точки
Клеточный цикл (рис. 2.5) во всех эукариотических клетках протекает примерно одинаково.
Это сходство говорит о генетической регуляции клеточного цикла и проливает
свет на эволюцию живых организмов. Известно, что нарушение такой регуляции
приводит к неконтролируемому росту клеток, характерному для опухолей. Поэтому
интерес к этой проблеме очень высок.
Обширные исследования последних 20 лет позволили обнаружить множество генов,
контролирующих клеточный цикл. За эту работу Ли Хартвел, Пол Нюрсе и Тим Хант
были удостоены в 2001 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине. Как и другие
исследования генетического контроля над важнейшими биологическими процессами,
эта работа сосредоточена на прерывающих клеточный цикл мутациях и их эффектах.
Сейчас известно множество мутаций, влияющих на прохождение той или иной
стадии клеточного цикла. Первая мутация, влияющая на клеточный цикл, была обнаружена
у дрожжей. Сейчас такие cdc-мутации (cell division cycle mutations) найдены у
всех организмов, включая человека. Оказалось, что на протяжении клеточного цикла
существует, по меньшей мере, три « контрольно-пропускных пункта» ( сверочные точки),
которые существенны для перехода клетки из одной стадии в следующую.
Продукты большинства генов, контролирующих клеточный цикл, относятся к ферментам
класса киназ, или к cdc-киназам, которые катализируют присоединение фосфатных
групп к молекулам белков. Эти ферменты фосфорилируют белки циклины и влияют на
активность таких белков в ключевых точках клеточного цикла. Комплекс cdc-киназы
и циклина называется Cdk-белком (от англ. сycline–dependent kinase protein).
Анализ cdc-мутаций показал, что клеточный цикл включает не менее трех сверочных
точек, или чекпойнтов для мониторинга событий при нормальном митозе и для
«сверки» с помощью контрольных молекул перед вступлением в следующую стадию
цикла. Значение контроля за прохождением клеточного цикла и роль сверочных точек
детально обсуждаются в гл. 16, там же говорится также о нарушении регуляторной
системы клетки и его последствиях. Представим, например, что ДНК в клетке была
повреждена, что привело к мутациям, нарушающим контроль клеточного цикла. Если
бы такие клетки продолжали делиться, то процесс деления стал бы неконтролируемым,
как это характерно для опухолевых клеток. Если же в одной из сверочных точек
происходит арест клеточного цикла, то поврежденная клетка легко устраняется из популяции
делящихся клеток, предотвращая возможное злокачественное перерождение.
РЕЗЮМЕ
Митоз подразделяется на несколько отдельных стадий и начинается с конденсации
хроматина в диплоидное число хромосом, каждая из которых состоит из пары
сестринских хроматид. В процессе митоза сестринские хроматиды независимо друг от
друга направляются к противоположным полюсам клетки. После деления цитоплазмы
(цитокинеза) формируются две новые клетки, несущие генетическую информацию,
идентичную родительской.
2.4. В результате мейоза формируются гаплоидные
гаметы и споры, а также повышается генетическая
изменчивость видов
В отличие от митоза, в процессе мейоза количество генетического материала в дочерних
клетках уменьшается вдвое. Если в результате митоза образуются дочерние
клетки с диплоидным набором хромосом, то гаметы или споры несут лишь половину
этого набора. При половом размножении происходит слияние половых клеток и восстановление диплоидности, характерной для родительской клетки и всего организма.
Гаплоидные гаметы или споры несут строго определенный набор хромосом – по
одному гомологу от каждой пары, поддерживая генетическую непрерывность вида из
поколения в поколение.
Мейоз способствует генетической изменчивости внутри вида. Такая изменчивость
осуществляется в двух формах. Во-первых, в результате мейоза образуются гаметы,
несущие различные комбинации родительских генов. Как указывалось в главе 3, в
основе этого процесса лежат постулаты Менделя о расщеплении и независимом
комбинировании аллелей. Второй источник изменчивости – процесс обмена участками гомологичных хромосом во время конъюгации в профазе I мейоза, называемый кроссинговером, до того как та или другая из хромосом попадет в гаплоидную гамету или спору. Это также повышает генетическую изменчивость потомства, которая возникает при слиянии гамет, несущих хромосомы с рекомбинациями. Поэтому перегруппировка генетического материала при половом размножении приводит к появлению потомства, которое в результате генетической рекомбинации довольно сильно отличается от своих родителей. Мейоз: профаза I. Аналогично митозу, мейоз в диплоидной клетке начинается с удвоения генетического материала в интерфазе, предшествующего делению хромосом. Результаты мейоза достигаются, в основном, благодаря поведению хромосом на начальной стадии первого деления мейоза, называемой профазой I. Вспомним, что в процессе
митотического деления клетки все пары материнских и отцовских хромосом расходятся
независимо друг от друга. При этом каждая хромосома удваивается и затем в дочерние клетки попадает по одной из сестринских хроматид. Однако в мейозе между конденсированными еще в интерфазе парами гомологичных хромосом возникает
синапсис, как это показано на рис. 2.9. Каждая пара таких гомологов в ранней профазе
называется бивалентом, их число в клетке соответствует гаплоидному числу хромосом.
Хромосомы в составе бивалента продолжают конденсироваться, укорачиваются и превращаются в тетрады. Гомологи в тетрадах, состоящие из двух сестринских хроматид,
соединены друг с другом только в центромерной области. Напомним, что одна пара сестринских хроматид получена от материнской клетки, а другая – от отцовской. Наличие
тетрад служит доказательством дупликации обоих гомологичных хромосом. В профазе
начинается расхождение каждой пары сестринских хроматид, однако в нескольких
точках они перекрещиваются, образуя хиазмы. Считается, что хиазмы – точки обмена
генетической информацией в результате кроссинговера между несестринскими хроматидами
материнского и отцовского происхождения. Поскольку кроссинговер происходит
неоднократно, на ранних стадиях мейоза возникают мозаичные хромосомы. В конце
профазы I оболочки ядра и ядрышка растворяются, и две центромеры гомологов в тетраде
прикрепляются к веретену деления.
Метафаза, анафаза и телофаза I
Эти фазы мейоза изображены на рис. 2.10. В метафазе первого деления ( метафаза I)
мейоза хромосомы максимально укорочены, а биваленты в составе тетрад еще связаны
терминальными хиазмами. Тетрады располагаются по экватору клетки случайным
образом, образуя метафазную пластинку. При этом половина бивалентов отходит к
одному полюсу клетки, а половина гомологичных бивалентов – к другому.
В процессе первого деления мейоза сестринские хроматиды остаются соединенными
в области центромеры. На стадии анафазы I половина тетрады – диада – движется
к одному из полюсов клетки, то есть наблюдается расщепление хромосом. Иногда
из-за ошибок мейоза этого не происходит, а наблюдается нерасхождение гомологов.
К концу анафазы на каждом из двух полюсов клетки располагается гаплоидное число
хромосом (диад). В отсутствие кроссинговера каждая из диад представлена удвоенной
хромосомой материнского или отцовского происхождения. Если кроссинговер состоялся,
то на полюсах клетки находятся мозаичные хромосомы, одновременно несущие
некоторые гены отца и матери.
Во многих дочерних клетках ядерная мембрана формируется во время телофазы I –
она окружает хромосомы и сохраняется в течение непродолжительной интерфазы.
Иногда клетки тотчас же переходят ко второму делению мейоза, и ядерная оболочка
не формируется. В интерфазе после телофазы I не происходит репликации ДНК,
поскольку хромосомы уже состоят из двух хроматид. Как правило, телофаза первого
деления мейоза гораздо короче телофазы митоза.
Второе деление мейоза
В результате второго деления мейоза ( мейоз II) формируются гаплоидные гаметы и
споры, несущие только одну хроматиду из исходной тетрады. Стадии, характеризующие
мейоз II, показаны в нижней части рис. 2.10. Во время профазы II диады, состоящие из
двух сестринских хроматид, прикрепляются в области центромеры к нитям веретена.
В метафазе II они располагаются по экватору клетки в виде метафазной пластинки.
В начале анафазы II сестринские хроматиды начинают движение к противоположным
полюсам клетки, а на стадии телофазы II на каждом из полюсов видно по паре
гомологов, называемых монадами. В конце этой стадии происходит цитокинез, и образуются
четыре гаплоидные гаметы. Таким образом, в результате мейоза появляются
клетки с гаплоидным набором хромосом, которые вследствие кроссинговера несут
рекомбинантные хромосомы. Поэтому потомки от слияния таких гамет получают
«смесь» генов, носителями которых были их прародители. Итак, в результате мейоза
уровень генетической изменчивости в каждом последующем поколении значительно
повышается.
РЕЗЮМЕ
В процессе мейоза диплоидная клетка превращается в гаплоидные гаметы или
споры, участвующие в половом размножении. В результате дупликации хромосом с
последующими двумя делениями мейоза в каждой гаплоидной клетке содержится по
одной из пары гомологичных хромосом.
РЕШИМ ЗАДАЧУ
2.2. В первичном овоците 2n = 16 (а). Сколько тетрад образуется в профазе I? (б). Сколько
диад присутствует в профазе II? (с). Сколько монад движется к противоположным полюсам
клетки в анафазе II?
Подсказка. Вспомните, как ведут себя в мейозе гомологичные хромосомы материнского
и отцовского происхождения, и представьте, что таких пар 16. Для решения задачи нужно
также вспомнить, что эти пары гомологов образуют синапсис, формируя на ранних стадиях
мейоза тетрады, которые в анафазе I расходятся в виде отдельных диад.
2.5. Сперматогенез и овогенез
Несмотря на сходство процессов гаметогенеза в животных клетках, формирование
мужских гамет (сперматогенез) несколько отличается от формирования женских гамет
(овогенеза). На рис. 2.11 схематически показаны оба этих процесса.
Сперматогенез происходит в репродуктивных органах самцов – семенниках. Сначала
наблюдается быстрый рост недифференцированных диплоидных зародышевых клеток,
называемых сперматогониями. В результате образуются первичные сперматоциты,
которые вступают в первое деление мейоза. Образующиеся вторичные сперматоциты содержат гаплоидный набор хромосом (диады). Вторичные сперматоциты вступают
во второе деление мейоза, образуя гаплоидные сперматиды. Эти клетки созревают в
процессе сперматогенеза, превращаясь в гаплоидные сперматозоиды, или клетки спермы,
содержащие очень мало цитоплазмы.
Сперматогенез у взрослых самцов может занимать продолжительное время или
протекать периодически, в зависимости от репродуктивного цикла. У животных,
размножающихся круглый год, сперматогенез происходит непрерывно, а у животных
с сезонным размножением сперматогенез приурочен именно к этим периодам
жизненного цикла.
Формирование яйцеклеток, или овогенез, протекает в репродуктивных органах
самок – яичниках. В результате двух делений мейоза образуются дочерние клетки,
несущие гаплоидные наборы хромосом, но не одинаковые по размеру. В процессе
каждого деления почти вся цитоплазма первичного овоцита попадает в одну из двух
дочерних клеток. Это очень важно для функционирования яйцеклетки, в которой
после оплодотворения развивается зародыш.
Во время анафазы первого деления мейоза тетрады овоцита первого порядка расходятся
к полюсам с образованием двух одинаковых групп диад, однако цитоплазма
делится между дочерними клетками не поровну: на одном из полюсов она лишь
окружает ядро, формируя первое полярное тельце. Вторая дочерняя клетка называется
овоцитом второго порядка. Первое полярное тельце может разделиться еще раз, образуя
две мелких гаплоидных клетки, или остается в фазе покоя. Зрелая яйцеклетка
формируется из овоцита второго порядка в результате второго деления мейоза, когда его
цитоплазма вновь делится не поровну, образуя овотиду и вторичное полярное тельце.
Овотида затем созревает с образованием яйцеклетки.
Овогенез не является беспрерывным процессом. У некоторых животных два деления
мейоза следуют один за другим. У других организмов, в том числе у человека,
первое деление мейоза происходит еще у зародыша женского пола в эмбриональных
яичниках, и клетки долгое время находятся на стадии профазы I. Спустя годы, эти
клетки вступают в мейоз непосредственно перед овуляцией, и второе деление мейоза
завершается только после оплодотворения яйцеклетки.
РЕЗЮМЕ
Мейоз у мужских и женских организмов существенно различается. При сперматогенезе
объем цитоплазмы равномерно распределяется в гаплоидные сперматозоиды.
В результате овогенеза образуется гаплоидная яйцеклетка, содержащая цитоплазму
в гораздо большем объеме, чем три направительных тельца.
РЕШИМ ЗАДАЧУ
2.3. Изучите схему овогенеза в животной клетке на рис. 2.11. Всегда ли генотип второго направительного тельца, сформированного после второго деления мейоза, идентичен генотипу овотиды и почему?
Подсказка. Для решения этой задачи вспомните процесс овогенеза и образование направительных телец. Также надо иметь ввиду, что кроссинговер между парами гомологичных хромосом происходит в первом делении мейоза.
2.6. Мейоз имеет решающее значение для полового
размножения всех диплоидных организмов
Процесс мейоза лежит в основе полового размножения, поскольку приводит к гаплоидному
числу хромосом в гаметах.
У диплоидных организмов генетическая информация хранится в парных гомологичных
хромосомах, причем один гомолог происходит от матери, а другой – от отца.
В результате мейоза гаплоидные гаметы содержат как материнские, так и отцовские
хромосомы. Благодаря кроссинговеру между этими гомологами в профазе I мейоза
генетическая изменчивость гамет становится более высокой.
Особенно важную роль играет мейоз в жизненном цикле грибов и растений.
У многих грибов преобладающей фазой жизненного цикла считаются вегетативные
гаплоидные клетки, которые размножаются путем митоза. У многоклеточных растений
чередуются диплоидная стадия спорофита и гаплоидная стадия гаметофита (рис. 2.13).
У разных систематических групп растений преобладает та или иная стадия, а мейоз
с последующим оплодотворением яйцеклетки служит «мостом», соединяющим поколения
спорофитов и гаметофитов.
РЕЗЮМЕ
Широкая генетическая изменчивость возникает благодаря обмену между материнскими
и отцовскими хроматидами при кроссинговере и их случайному распределению в
гаметы в процессе мейоза. Кроме того, мейоз играет большую роль в жизненных циклах
грибов и растений, соединяя альтернативные поколения.
2.7. Цитологическая структура митотических
и мейотических хромосом, выявляемая
под электронным микроскопом
В этой главе мы сосредоточились на поведении хромосом во время митоза и мейоза
при делении клеток и формировании гамет. Длительное время оставалось непонятным,
почему в интерфазе хромосомы не видны как дискретные образования и отчетливо
различаются на разных стадиях митоза и мейоза. На этот вопрос ответили исследования
хромосом под электронным микроскопом.
Во время интерфазы в ядре присутствует только диффузный хроматин (рис. 2.13
(а)). С наступлением митоза хроматин быстро конденсируется с образованием относительно
коротких и плотных митотических хромосом (рис. 2.13 (b)). Если нити
хроматина образуют петли типа ламповых щеток, то митотическая хромосома этого
типа напоминает хромосому в интерфазе (рис. 2.13 (с)). В митотической хромосоме
фактически не видно концов хроматиновых нитей, они попарно закручены и образуют
характерный рисунок митотической хромосомы. Начиная с поздней телофазы и в
ходе стадии G1 интерфазы хромосомы вновь деконденсируются, формируя длинные
нити хроматина (ДНК и ассоциированных с ней гистонов). Деконденсация хроматина
способствует наиболее эффективной транскрипции и репликации ДНК.
В результате обширного электронно-микроскопического исследования митотических
хромосом Эрнст Дю Про предложил складчато-фибриллярную модель хромосом
(рис. 2.13 (с)). Согласно этой модели метафазная хромосома состоит из двух сестринских
хроматид, соединенных в области центромеры. Каждое плечо хроматиды состоит
из одной нити, напоминающей длинный моток пряжи и состоящей из плотно
скрученной ДНК и белков. При переходе от интерфазы к профазе, например, за счет
спирализации ДНК, хромосома сокращается в 5000 раз. Этот процесс должен быть особенно
точным в случае высокоорганизованной и целостной структуры митотических
хромосом у всех эукариот. В гл. 11 мы остановимся на строении хромосом подробнее.
РЕЗЮМЕ
Митотические хромосомы видны только при делении клетки и формируются в результате
скручивания и конденсации нитей хроматина в интерфазе.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ГЕНОМИКА
PubMed: поиск и хранение биомедицинской литературы
Область изучения: исследовательская генетика
В век быстро растущих объемов информации по геномике и биомедицинским
наукам ученые должны освоить множество электронных баз данных. Эти ресурсы обеспечивают доступ к последовательностям ДНК и белков, к данным по геномам, хромосомным картам, к профилям экспрессии генов, полученным на микрочипах, к структурам
молекул и к биоинформационным методам, которые позволяют манипулировать
этими данными. Пожалуй, центральным в PubMed является ресурс, обеспечивающий
поиск и доступ к биомедицинским публикациям.
PubMed – это поисковая система в Интернете, разработанная Национальным центром биотехнологической информации (NCBI) при Национальной медицинской
библиотеке. PubMed обеспечивает доступ к более чем 15 млн статей и к более чем 4600
медицинским журналам. Содержание многих журналов в электронном виде доступно
в библиотеках колледжей и университетов. Некоторые журналы, например, Proceedings
of the National Academy of Sciences USA; Genоme Biology; Science, на определенный
срок предоставляют свободный доступ к статьям.
Попробуем использовать PubMed для
ответа на вопросы о взаимосвязи тубулина, рака и противораковой терапии, а также вопросы
по генетике сперматогенеза.
Упражнение 1 – тубулин, рак и митоз
В этой главе вы познакомились с тубулином и с поведением микротрубочек в процессе деления клеток. Для опухолевых клеток характерны постоянные
и неконтролируемые митозы.
Вносят ли тубулин и микротрубочки свой
вклад в развитие рака, и могут ли эти важные клеточные структуры быть мишенями для
противораковой терапии?
1. Для поиска ответов зайдем на сайт
PubMed: www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/
entrez?db=pubmed.
2. В окне SEARCH наберем ключевые слова
«tubulin cancer», а затем нажмем «Go» для
поиска
3. Выберем несколько статей из списка литературы
и прочитаем резюме.
Для ответа на вопрос об ассоциации тубулина
с раком можно ограничиться обзорными
статьями. Чтобы их найти,
1) вверху страницы выберем графу «Limits»,
2) прокрутим страницу вниз и выберем
строку «Review» в списке «Type of Article»,
3) для продолжения поиска нажмем «Go».
Найдите в библиотеке или в открытом доступе электронного ресурса несколько
статей по теме и прочтите резюме или весь текст. Приготовьте тематическое сообщение
и поделитесь информацией с сокурсниками во время занятий.
Опишите основные результаты, которые удалось найти в статьях, и укажите источники
литературы, с которыми вы поработали в процессе поиска.
Упражнение II – нарушения сперматогенеза у человека
Пользуясь методикой предыдущего
упражнения, определите несколько заболеваний, связанных с дефектным сперматогенезом. Какие гены у человека вовлечены в сперматогенез? Каким образом генные нарушения отражаются на фертильности?
Приготовьте краткий письменный или устный доклад по теме и укажите источники литературы, которыми вы пользовались.
СЛУЧАЙ
ИЗ ПРАКТИКИ
Все по расписанию
Двадцатилетний пациент с болезнью Ходжкина каждые 2 месяца проходил химиолучевую
терапию. После безуспешных попыток зачать ребенка он обратился в клинику
для анализа своей спермы, и в клетках были обнаружены множественные нарушения.
Анализ в течение первых пяти дней терапии выявил частое присутствие добавочных
хромосом или же полное отсутствие одной и более хромосом в кариотипе этого пациента.
Однако на 38-й день лечения и позже никаких нарушений обнаружено не было.
1. Как можно объяснить зависимость хромосомных нарушений от времени с точки
зрения генетика?
2. Какие клетки, на ваш взгляд, более уязвимы при химиолучевой терапии: сперматогоний
или вторичный сперматоцит?
3. Что можно посоветовать мужчине, проходящему курс лечения, относительно его
фертильности?
Примеры решения задач
Этот раздел в конце главы очень важен для студентов и предшествует разделу «Задачи и вопросы для обсуждения». Он содержит примеры задач и соответствующие решения, полезные для генетического анализа. Работа над примерами поможет в решении задач, представленных в последующих главах книги.1.
Опишите расположение хромосом в метафазной пластинке в клетке с 2n = 6 во время (а)
митоза, (b) мейоза I и (с) мейоза II.
Ответ: (а) Во время митоза в метафазной пластинке наблюдается 6 пар хромосом, каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид, (b) в мейозе I наблюдается синапсис между гомологичными хромосомами, поэтому видны три пары хромосом, или тетрады, состоящие из двух гомологов и двух пар хроматид, (с) в мейозе II видны три хромосомы – диады, каждая из которых состоит из пары сестринских хроматид. В результате кроссинговера впрофазе I мейоза часть хроматид может нести гены несестринской хроматиды, полученные при обмене гомологичными участками.
2. Игнорируя кроссинговер, нарисуйте все возможные конфигурации двух хромосом,
показанных на рис. 2-12, на стадии метафазы мейоза I.
Ответ: При n = 2 возможны четыре конфигурации, показанные на рисунке вверху следующей страницы.
3. Допустим, что две крупные хромосомы (см. предыдущий пример) несут два аллеля А и а
одного гена, а пара малых хромосом – два аллеля В и b другого гена. Какова вероятность
появления после первого деления мейоза аллельных комбинаций AB, Ab, aB, ab?
Решение: Как показано на рисунке вверху следующей страницы, возможны следующие
комбинации
Случай I AB и ab
Случай II Ab и aB
Случай III aB и Ab
Случай IV ab и AB
AB = 2 (p = 1/4)
Ab = 2 (p = 1/4)
aB = 2 (p = 1/4)
ab = 2 (p = 1/4)
Задачу №3 можно решить, используя решетку Пеннета 2 × 2 (прим. перев.).
4. Опишите структуру тетрад в профазе I мейоза в отсутствие кроссинговера. Что произойдет
с этой структурой в результате одного события кроссинговера?
Ответ: Каждая из тетрад состоит из двух хромосом и двух пар хроматид, соединенных в области центромеры. Одна из хромосом происходит от матери, другая – от отца, и они состоят из несестринских хроматид. В результате кроссинговера происходит обмен гомологичными
участками несестринских хроматид, наблюдается их перекрест, и в тетраде видна хиазма.
Учебный сайт для самостоятельной работы, анимации и вопросов:
www.masteringgenetics.com
Задачи и вопросы для обсуждения
Знаете ли вы?1.
Основное внимание в этой главе было уделено распределению хромосом при делении
соматических клеток (митоз) и половых клеток (мейоз с образованием гамет и спор). Мы
познакомились с различными методами и привели аргументы в пользу изложенной в главе
информации. Опираясь на этот материал, ответьте на следующие фундаментальные вопросы:
(a) Как узнали, что хромосомы представлены гомологичными парами?
(b) Как стало известно, что ДНК реплицируется в интерфазе, а не на ранних стадиях митоза?
(c) Как выяснилось, что митотические хромосомы построены из хроматина?
2. Какова роль следующих компонентов клетки: хроматина (a), ядрышек (b), рибосом (c),
митохондрий (d), центриолей (e) и центромеры (f) в хранении, экспрессии и передаче
генетической информации?
3. Какие хромосомы называются гомологичными? Что понимается под диплоидностью и
гаплоидностью? Что общего между двумя гомологичными хромосомами?
4. Допустим, две хромосомы имеют одинаковую морфологию, то есть одну длину и одинаковое
положение центромеры. Какие еще критерии необходимы для их гомологии?
5. Какие события характерны для каждой из стадий митоза?
6. Какова классификация хромосом по положению центромеры?
7. Сравните стадию телофазы в животной и растительной клетках.
8. Опишите фазы клеточного цикла и характерные для каждой фазы события.
9. Сравните результаты митоза и мейоза.
10. Дайте определение следующим терминам: синапсис (a), биваленты (b), хиазмы (c),
кроссинговер (d), сестринские хроматиды (e), тетрады (f), диады (g), монады (h).
11. Сравните генетический состав и происхождение сестринских и несестринских хроматид в
ранней профазе первого деления мейоза. Как может измениться их генетический состав к
моменту формирования тетрад в метафазной пластинке?
12. Как заканчиваются два типа деления клеток? Почему спаривание гомологов необходимо
во время мейоза и нежелательно – во время митоза?
13. Сравните процессы сперматогенеза и овогенеза. Какова роль полярных телец?
14. Объясните, почему в отличие от митоза мейоз приводит к существенной генетической
изменчивости?
15. Диплоидная клетка содержит три пары гомологичных хромосом: С1 С2, М1 М2 и S1 S2.
Каковы возможные комбинации этих хромосом в отсутствие кроссинговера (а) в двух
дочерних клетках после митоза, (b) в метафазе I мейоза, (с) в гаплоидных клетках после
делений мейоза?
16. Решите задачу, приведенную в предыдущем пункте, для клетки, содержащей еще одну пару
хромосом W1 и W2 (помимо C, M и S).
17. У животного обнаружили 50 первичных овоцитов на разных стадиях овогенеза. Сколько
будет сформировано вторичных овоцитов и первичных полярных телец? Если у животного
обнаружено 50 первичных сперматоцитов на разных стадиях сперматогенеза, то сколько
будет сформировано вторичных сперматоцитов и сперматид?
18. Какова вероятность, что в сперматозоидах организма с n = 10 все 10 хромосом будут иметь
центромеры от хромосом материнского происхождения?
19. Опишите события, характерные для профазы I мейоза.
20. Охарактеризуйте роль мейоза в жизненном цикле растений.
21. Сравните нити хроматина и метафазные хромосомы. Как связаны между собой эти
структуры?
22. Опишите складчато-фибриллярную модель митотических хромосом.
23. Опишите, насколько возможно, кариотип неизвестного организма, включающий
12 хромосом. Две из них значительно короче остальных хромосом, имеющих примерно
одинаковые размеры и морфологию.
В задачах 24–29 рассматривается диплоидная клетка с тремя парами хромосом АА, ВВ и СС, каждая из которых представлена гомологами материнского и отцовского происхождения (Аm, Ap и т.д.). Используя эти обозначения, нарисуйте хромосомные комбинации в митозе и мейозе. Не забудьте указать, когда хроматиды спариваются в результате удвоения и/или синапса. Вы можете нарисовать схемы на листе темной оберточной бумаги или на картонной папке вместе с другими студентами, чтобы сообща найти правильное решение задач.
24. Каковы комбинации хроматид в метафазе митоза? Какие комбинации будут представлены
на каждом из полюсов клетки в конце анафазы?
25. Какие комбинации хроматид будут представлены в конце профазы первого деления мейоза в отсутствие кроссинговера? Нарисуйте возможные позиции хроматид в начале их миграции к полюсам клетки в ранней анафазе I мейоза.
26. Отличаются ли позиции в задаче 25 от положения хроматид в профазе II мейоза? Если да,
то нарисуйте соответствующую схему.
27. Нарисуйте всевозможные позиции хроматид в анафазе II мейоза.
28. Допустим, что в первом делении мейоза гомологи пары С не разошлись, а разделились на
диады во втором делении. Нарисуйте эти изменения на схемах анафазы I и анафазы II мейоза.
29. Допустим, что каждая из гамет (см. задачу 28) соединяется с нормальной гаплоидной гаметой.
Каковы комбинации хромосом в зиготах? Каков процент зигот с диплоидным набором,
включающим одну отцовскую и одну материнскую хромосомы каждой пары гомологов?
30. У Drosophila melanogaster масса ядерной ДНК в одном сперматозоиде составляет 0,18 пг.
Какова масса ядерной ДНК в первичном сперматоците дрозофилы? Каковы массы ДНК в
диплоидной соматической клетке в фазе G1 и в метафазе?
Глава 3
МЕНДЕЛЕВСКАЯ ГЕНЕТИКА
Содержание главы
Наследственные признаки контролируются дискретными факторами, или генами, которые
находятся в хромосомах и передаются из поколения в поколение согласно законам,
открытым Грегором Менделем. Результаты скрещиваний у растений и животных подчиняются
этим законам и подвержены случайным отклонениям, которые можно оценить
статистически. Наследование признаков у человека принято изучать по родословным.
_ Информация, обусловливающая наследственность, хранится в дискретных
единицах, называемых генами.
_ Гены передаются из поколения в поколение с помощью хромосом.
_ Хромосомы представлены парами, по одной от каждого из родителей.
_ При формировании гамет хромосомы распределяются согласно постулатам,
которые в XIX веке впервые сформулировал Грегор Мендель на основании своих
опытов с горохом.
В 1866 г. Грегор Иоганн Мендель
в результате опытов с горохом
выдвинул основные постулаты
трансмиссионной генетики
_ Согласно постулатам Менделя при формировании гамет гомологичные хромосомы
расходятся и распределяются независимо от других пар гомологичных хромосом.
_ Генетические пропорции статистически оцениваются как вероятности с
отклонениями.
О том, что многие признаки передаются по наследству, догадывались уже тысячи лет
тому назад. Однако лишь в 1866 году в «Известиях общества естественной истории»
появились результаты экспериментов, заложивших основы генетики. Грегор Иоганн
Мендель – монах августинского монастыря из австрийского городка Брюнне (нынешний
Брно в Чехии) открыл фундаментальные законы наследственности, но его работа
осталась незамеченной вплоть до начала следующего века, когда появилось понятие
гена. В это время прояснились пути передачи генов, входящих в состав хромосом, от
родителей к их потомкам. Начиная с 1900-х г., генетические исследования находились
на переднем фронте биологической науки, а в последнее время перешли на качественно
новый молекулярный уровень.
Сначала Мендель изучал наследуемость отдельных признаков у гороха (Pisum
sativum). В то время еще ничего не знали о хромосомах, о роли и о механизме мейоза.
Для объяснения результатов скрещиваний он постулировал существование единиц наследственности
и законы их распределения в потомстве. В дальнейшем цитологические
наблюдения за хромосомами подтвердили менделевские принципы наследования, а
сами законы легли в основу так называемой менделевской, или трансмиссионной генетики.
Остановимся на этих законах подробнее.
3.1. При исследовании закономерностейнаследования признаков Мендель использовал
экспериментальную модель
Иоганн Мендель родился в 1822 г. в крестьянской семье, жившей в австрийской деревушке
Хайнцендорф. Он с отличием закончил высшую школу по курсу философии,
по окончании которой поступил в августинский монастырь Св. Фомы и стал монахом
по имени Грегор. В 1849 г. он начал преподавательскую деятельность, а с 1851 по 1853 г.
изучал физику и ботанику в Венском университете. В 1854 г. Мендель вернулся в Брно,
где в течение 16-ти лет преподавал физику и естественные науки, получая финансовую
поддержку своим научным исследованиям со стороны монастыря.
В 1856 г. Мендель поставил первые опыты по гибридизации с растениями гороха.
Однако в 1868 г. он был назначен аббатом, поэтому на продолжение экспериментов
времени почти не оставалось. В 1884 г. Грегор Мендель скончался от почечной недостаточности.
Как писала в то время местная газета, его смерть лишила обездоленных
людей источника милосердия и благодеяний, а все общество потеряло великодушного
человека и задушевного друга, покровителя и движителя естественных наук, редкого,
в личностном плане, пастыря.
В 1865 г. Мендель впервые доложил о результатах скрещиваний между отдельными
линиями посевного гороха. Успех в исследовании закономерностей наследования
признаков был, отчасти, обусловлен элегантностью экспериментов и четкостью научного
анализа.
Работа Менделя и по сей день служит превосходным образцом генетического исследования.
Он выбрал растение, которое легко выращивать и опылять искусственным путем.
В природе горох – самоопыляемое растение, но легко поддается перекрестному опылению.
Мендель проследил наследование семи пар хорошо различимых контрастных признаков
(рис. 3.1). К примеру, он выращивал растения с длинным и коротким стеблем. Шесть других
признаков касались формы и окраски семян, формы и окраски бобов, строения бобов и
расположения цветков. У торговцев семенами нашлись линии гороха, в которых каждый
из этих признаков передавался из поколения в поколение без изменений.
Помимо удачного выбора объекта Мендель сравнивал в своих опытах только одну
или несколько пар контрастных признаков. Он аккуратно записывал свои соображения
и вычисления, что особенно важно для генетических исследований. Анализ полученных
результатов позволил Менделю прийти к определенным выводам, которые положены в
основу трансмиссионной генетики. Однако эти результаты получили должную оценку
гораздо позже, уже после его смерти.
После смерти Менделя его законы заново открыли ученые, получившие сходные
результаты: Гуго де Фриз из Голландии, Карл Корренс из Германии и Эрих Чермак
из Австрии. Все они признали приоритет Менделя в открытии законов передачи наследственных
признаков.
3.2. Моногибридное скрещивание показывает,
как передается из поколения в поколение один признак
В простейших экспериментах по скрещиванию растений Мендель исследовал только
одну пару контрастных признаков и назвал такие скрещивания моногибридными. При
3.2. Моногибридное скрещивание
82 Глава 3. Менделевская генетика
этом каждый из родителей имеет один из пары контрастных признаков. Рассмотрим
первое поколение от скрещивания этих растений, а затем – потомство от самоопыления
полученных гибридов первого поколения. Родителей обозначим как Р1 (parental
generation), а их потомство – F1 (first filial generation) и потомство от самоопыления во
втором поколении – F2 (second filial generation). При желании можно продолжать подобные
скрещивания сколь угодно долго.
В результате моногибридного скрещивания растений с длинным и коротким стеблем
Мендель получил F1, состоящее только из высоких растений. После самоопыления растений
первого поколения он обнаружил в потомстве F2, состоящем из 1064 растений,
787 высоких и 277 низких. Итак, признак короткого стебля исчез в первом гибридном
поколении и вновь появился в F2 (рис. 3.1).
Мендель провел множество подобных скрещиваний и получил одинаковые результаты:
в F1 присутствовали только высокие растения (доминантный признак), а во
втором поколении соотношение высоких растений к низким (рецессивный признак)
составило 2,8:1,0, то есть пoчти 3:1.
Анализируя результаты скрещиваний по другим парам контрастных признаков
(рис. 3.1), он получил такую же картину. В F1 были растения только с одним признаком,
а в F2 соотношение численности растений с разными признаками соответствовало
3:1, то есть 3/4 всех растений выглядели как гибриды первого поколения, а 1/4 имели
признак, исчезнувший в F1.
Оказалось, что эти результаты не зависели от того, растения с какими признаками
были источниками пыльцы и яйцеклеток. При опылении низких растений пыльцой
с высоких в реципрокных скрещиваниях в F1 от этих скрещиваний были получены
только высокие растения. Итак, в опытах Менделя по моногибридному скрещиванию
результаты не зависели от пола родителей, несущих контрастные признаки.
Для объяснения этих закономерностей Мендель предположил существование
единиц наследственности, отвечающих за каждый признак. Эти единицы передаются
из поколения в поколение в неизменном виде.
Три первых постулата Менделя
На основании результатов моногибридных скрещиваний Мендель сформулировал три
принципа наследования признаков.
1. ПАРНОСТЬ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ЕДИНИЦ
Наследственные признаки контролируются единицами, представленными у каждого
организма в виде пары факторов.
Так, при моногибридном скрещивании растений с длинным и коротким стеблем
для длинного и короткого стебля существует свой фактор (наследственная единица
по Менделю) или ген. Поэтому у потомства возможны три комбинации этих факторов:
два фактора для длинного стебля, два фактора для короткого стебля, а также один – для
длинного и один – для короткого. Каждое растение имеет одну из этих комбинаций,
определяющих длину стебля.
2. ДОМИНАНТНОСТЬ И РЕЦЕССИВНОСТЬ
Если один организм несет два наследственных фактора, отвечающих за разные контрастные
признаки, то одна единица наследственности доминантная по отношению к
другой – рецессивной.
83
Признак, который проявляется в первом поколении от моногибридного скрещивания,
контролируется доминантной единицей наследственности, а не обнаруживаемый
парный признак – рецессивной. Термины «доминантный» и «рецессивный» используют
и для обозначения соответствующих признаков. В описанном выше случае высокий
стебель – доминантный признак, а низкий – рецессивный. Бывает так, что в первом
поколении проявляются признаки обоих родителей, тогда речь идет о кодоминировании.
3. РАСЩЕПЛЕНИЕ
При образовании гамет парные единицы наследственности расщепляются (сегрегируют)
независимо, так что в каждую из гамет попадает один или другой фактор из этой пары.
Если у растения имеется два одинаковых наследственных фактора (например, детерминирующие
длинный стебель), то все гаметы получат только один фактор. Если
растение несет два разных фактора (детерминирующий длинный стебель и детерминирующий
короткий), то с 50%-ной вероятностью в каждую из гамет попадет либо
один, либо другой фактор из этой пары.
Для иллюстрации этих постулатов рассмотрим моногибридное скрещивание растений
с длинным и коротким стеблем. Мендель предполагал, что взятые для скрещивания
растения с длинным стеблем имеют одинаковые парные единицы наследственности,
аналогично растениям с коротким стеблем. В результате расщепления все гаметы высоких
растений несут одинаковые наследственные единицы, равно как и гаметы низких
растений. После опыления и оплодотворения растения первого поколения получат
по одному фактору от каждого из родителей. Поскольку фактор, ответственный за
длинный стебель, доминирует над фактором короткого стебля, то все потомки первого
поколения будут высокими. В результате случайного распределения этих факторов в
гаметы гибридов первого поколения примерно половина из них получит доминантный
и половина – рецессивный фактор. После самоопыления F1 у растений из F2 получится
четыре комбинации факторов в одинаковых соотношениях:
(1) высокий/высокий;
(2) высокий/низкий;
(3) низкий/высокий;
(4) низкий/низкий.
Согласно принципу доминантности комбинации (2) и (3) несут высокие растения,
комбинацию (1) – также высокие, а комбинацию (4) – низкие. Поэтому во втором
поколении обнаруживаются три четверти высоких и четверть – низких растений в
соотношении 3:1. Аналогичные соотношения выявляются и при скрещиваниях по
другим парам признаков (рис. 3.1).
РЕЗЮМЕ
Постулаты Менделя позволяют описывать передачу фенотипических признаков.
Он предполагал, что существуют парные дискретные факторы, которые образуют
доминантные или рецессивные наследственные единицы, контролирующие выражение
признаков в фенотипе. Позже Мендель постулировал , что при формировании гамет в
каждую из них с равной вероятностью попадает только один из пары факторов.
Современная терминология
На основании результатов моногибридного скрещивания Мендель впервые сформулировал
три постулата. Познакомимся с новыми терминами, которые соответствуют
менделевским наследственным факторам.
Наследственные единицы, или факторы, которые постулировал Мендель, обусловливают
внешние признаки, или фенотип особи. Сами менделевские факторы
получили затем название «гены». Как правило, каждый из признаков, например, рост
растения, детерминирован определенным геном (генами). Альтернативные формы гена
называют аллелями. Например, аллели высокого и низкого роста у гороха – формы
гена, детерминирующего рост растения.
Для обозначения генов генетики используют различные системы символов, о
которых говорится в гл. 4. В этой главе мы будем пользоваться одной из них. Обычно
первая буква рецессивного аллеля пишется строчной, а первая буква доминантного –
заглавной (прописной), например, для менделевских растений гороха аллели d (низкий)
и D (высокий) гена, детерминирующего рост. У диплоидного организма имеется
два аллеля гена, то есть DD, Dd или dd. Когда два аллеля одинаковы, то речь идет о
гомозиготном генотипе (о гомозиготной особи, или гомозиготе): DD или dd. Если аллели
разные (Dd), то говорят о гетерозиготном генотипе, или гетерозиготной по данному гену
особи ( гетерозиготе). Эти термины фигурируют на рис. 3.2 для иллюстрации полного
цикла моногибридного скрещивания.
Во времена Менделя наука еще не знала о существовании генов, тем удивительнее
его гениальные догадки, объясняющие механизм передачи признаков по наследству.
Решетка Пеннета
Результаты случайного сочетания гамет при оплодотворении можно представить
с помощью решетки Пеннета, названной так по имени изобретателя Реджинальда
Пеннета. На рис. 3.3 показаны результаты скрещивания гибридов первого поколения.
В горизонтальной строке сверху указаны генотипы всех возможных гамет самца, а в
вертикальной строке слева – генотипы гамет самки. В решетке записаны генотипы
и фенотипы, полученные в результате различных комбинаций родительских гамет.
Другими словами, в ячейках решетки Пеннета имеются все возможные генотипы и
фенотипы потенциального потомства от данного скрещивания.
Решетка Пеннета особенно полезна при первом знакомстве с генетикой и при обучении
решению задач. На рис. 3.3 показаны соотношения фенотипов 3 : 1 и генотипов
1 : 2 : 1 в потомстве от скрещивания высоких гетерозиготных растений.
Контрольное скрещивание: один признак
Можно предположить, что высокие растения – гибриды первого поколения, либо
гомозиготны (DD), либо гетерозиготны (Dd). Мендель разработал довольно простой
способ определения генотипов – метод контрольных скрещиваний, который и по сей
день используется при гибридизации растений и животных.
Особь с доминантным фенотипом, но неизвестным генотипом, скрещивают с гомозиготой
по рецессивному признаку. Допустим (рис. 3.4 (а)), высокое растение, гомозиготное
по доминантному признаку (DD), гибридизуют в контрольном скрещивании с низким
растениeм, заведомо имеющим генотип dd. Очевидно, что в потомстве от этого скрещивания
все растения будут высокими (Dd). Однако (рис. 3.4 (b)), при скрещивании высоких
гетерозиготных растений (Dd) с низкими гомозиготами по рецессивному признаку (dd)
половина растений в потомстве будет высокой, а половина – низкой. Другими словами,
соотношение высоких и низких растений 1 : 1 говорит о гетерозиготном генотипе
растения, взятого для контрольного скрещивания. Это подтверждает вывод Менделя о
контроле двух признаков независимыми наследственными единицами.
3.3. Менделевское дигибридное скрещивание дает
уникальное соотношение признаков в F2
Мендель расширил схему моногибридного скрещивания, анализируя наследование
двух признаков одновременно. Он назвал такие скрещивания двухфакторными, или
дигибридными. К примеру, скрещивают растения гороха с желтыми гладкими семенами
и растения с зелеными морщинистыми семенами (рис. 3.5). Все гибриды первого поколения
будут с желтыми гладкими горошинами. Из этого следует, что желтый цвет
семян доминирует над зеленым, а гладкость горошин над морщинистостью. После
самоопыления гибридов первого поколения получается примерно 9/16 растений с
желтыми круглыми семенами, 3/16 – с желтыми морщинистыми, 3/16 – с зелеными
гладкими и 1/16 – с зелеными морщинистыми. На рис. 3.5 показан и другой вариант
дигибридного скрещивания, когда скрещиваются растения, гомозиготные по одному
рецессивному и одному доминантному признакам. Результаты скрещивания в первом
и втором поколениях остаются без изменений. Причина такого постоянства будет
очевидна после рассмотрения принципа независимого комбинирования.
Четвертый постулат Менделя: независимое комбинирование
Дигибридное скрещивание можно рассматривать как два независимых моногибридных
скрещивания. Предположим, что два признака наследуются независимо друг от
друга. Иначе говоря, вероятность желтых или зеленых горошин у растения не зависит
от вероятности того, что они гладкие или морщинистые. Теоретически, все гибриды
в первом поколении должны иметь доминантный фенотип, то есть гладкие желтые
горошины. Этот вывод действительно совпадает с результатами скрещивания.
Во втором поколении можно ожидать 3/4 растений с желтыми семенами и 1/4 –
с зелеными. На рис. 3.5 показано, что при дигибридном скрещивании 12/16 растений
во втором поколении имеют желтые горошины, а 4/16 – зеленые, то есть их соотношение
составляет 3 : 1. Кроме того, 12/16 растений имеют гладкие горошины, а
4/16 – морщинистые, здесь сохраняется то же соотношение 3 : 1.
Очевидно, что две пары контрастных признаков наследуются независимо. Частоты
всевозможных фенотипов можно предсказать с помощью правила произведения
вероятностей: если два независимых события происходят одновременно, то вероятность
двух исходов равна произведению вероятностей каждого из них. Так, например, вероятность
того, что растения во втором поколении имеют желтые гладкие семена составит
3/4 × 3/4, то есть 9/16, поскольку 3/4 растений второго поколения имеют желтые и
столько же – гладкие горошины.
Аналогично вычисляются вероятности других фенотипов: желтые (3/4) и морщинистые
(1/4) будут встречаться у 3/16 всех растений, зеленые (1/4) и гладкие (3/4) – у
3/16, зеленые (1/4) и морщинистые (1/4) – у 1/16 (рис. 3.6).
Поэтому очевидно, что соотношения фенотипов в первом и втором поколениях
будут одинаково независимы от комбинации этих признаков у родителей: растения
с желтыми и гладкими семенами скрещиваются с растениями, имеющими зеленые
морщинистые семена, или же растения с желтыми морщинистыми горошинами скрещиваются
с растениями, имеющими зеленые гладкие горошины. В первом поколении
получаются растения, гетерозиготные по каждой из пар признаков (с желтыми гладкими
семенами), а во втором – соотношения фенотипов, указанные выше.
На основании многочисленных дигибридных скрещиваний Мендель сформулировал
постулат о независимом комбинировании: во время образования гамет пары наследственных
факторов расходятся в гаметы независимо друг от друга. В результате каждая
гамета получает по одному из факторов (аллелей) пары, и все возможные генотипы
гамет появляются с одинаковой частотой.
На рис. 3.7 показана решетка Пеннета, иллюстрирующая независимое комбинирование
признаков во втором поколении. Гибриды первого поколения образуют гаметы,
несущие либо аллель G или g, либо аллель W или w, при их случайном сочетании комбинации
GW, Gw, gW и gw встречаются с одинаковой частотой.
При скрещивании гибридов первого поколения каждая зигота с равной вероятностью
получает каждую из этих комбинаций родительских аллелей. Таким образом,
9/16 растений в потомстве имеют желтые гладкие семена, 3/16 – желтые морщинистые,
3/16 – зеленые гладкие и 1/16 – зеленые морщинистые. В итоге, в потомстве от
дигибридного скрещивания получается соотношение фенотипов 9 : 3 : 3 : 1, основанное на
расщеплении, независимом комбинировании и случайном сочетании гамет. Чем больше
численность проанализированных потомков, тем ближе соотношения их фенотипов к
идеальным и наоборот. Это идеальное соотношение исходит из равной вероятности таких
событий, как расхождение, независимое распределение и случайное оплодотворение.
Случайные отклонения, особенно при небольшом количестве потомства, приводят к несовпадению
реальных результатов с теоретически идеальным соотношением признаков.
РЕЗЮМЕ
Менделевский постулат о независимом комбинировании утверждает, что парные факторы
наследственной единицы, т.е. аллели, расщепляются (сегрегируют) независимо от другой
пары. В результате все возможные комбинации гамет формируются с равной вероятностью.
У меня появилась редкая возможность отметить профессиональные достижения и личный
вклад ряда исследователей, а также выразить им признательность за позитивное
развитие наших деловых взаимоотношений.
Мне хотелось бы посвятить настоящее издание, 19-е в данной серии, всем нашим
редакторам, внесшим неоценимый вклад в успех и долгую жизнь изданных книг, а
именно: Керри Барух (Kerry Baruch), Бобу Лейкмахеру (Bob Lakemacher), Бобу Роджерсу
(Bob Rogers), Шерри Сневли (Sheri Snavely), Гари Карлсону (Gary Carlson),
Майклу Джилеспи (Michael Gillespie) и Дасти Фридман (Dusty Friedman). Будучи
первоклассными профессионалами, на протяжении трех десятилетий вы оказывали
мне неоценимую помощь и поддержку. Выражаю глубокую признательность соавторам,
принимавшим непосредственное участие в этом издании, моим верным соотечественникам
Шарлотте Спенсер (Charlotte Spencer), Майку Каммингсу (Mike Cummings),
Майку Палладино (Mike Palladino), Гарри Никла (Harry Nickla). Десятки лет они полны
непоколебимой решимости общими усилиями добиться совершенства и научить
студентов критическому отношению к истории науки, аналитическому мышлению и
современным достижениям в области генетики.
Все вы – голос разума, источник огромного вдохновенья и теплых дружеских отношений.
Я счастлив, что вы стали частью моей жизни.
ПРЕДИСЛОВИЕ
«Основы генетики» написаны для более сжатых и не слишком детальных курсов по
генетике, излагающих основные концепции этой науки. Несмотря на то, что в книге
представлена основательная и современная информация, она рассчитана, в первую
очередь, на студентов-старшекурсников, выпускников и аспирантов. Учебник будет
также полезен студентам, специализирующимся в области других дисциплин, включая
агрономию, сельское хозяйство, химию, инженерные науки, лесоводство, психологию,
природопользование и охрану природы. Ввиду своей лаконичности «Основы генетики»
предназначены для непродолжительных трехмесячных курсов.
ЦелиДве важнейших цели, поставленные авторами в этом и в предыдущем изданиях «Основ генетики», заключаются в разработке новых педагогических методов интенсивного обучения и в сочетании их с доступной информацией по классической и современной генетике. Для достижения этих целей в книгу были включены: 1) новые главы по
специальным областям современной генетики; 2) практическая генетика — мощная
информационная система для обучения и тестирования он-лайн, позволяющая студентам
развить практические навыки решения задач по генетике.
Помимо этих новшеств, глобальные цели остаются прежними. В частности:
_ дать обзор основных положений генетики без детального рассмотрения;
_ обеспечить четкость и ясность изложения материала, что позволяет лучше понять
сложные темы;
_ большое место отвести решению задач, чтобы привить студентам аналитическое
мышление, навыки практического использования и пополнения знаний по генетике;
_ представить самые современные и актуальные знания в области этой замечательной
науки;
_ для успешного освоения курса постоянно обращаться к современным научным
разработкам;
_ показать становление и развитие генетики, ее богатейшую историю;
_ для лучшего усвоения материала использовать информативные цветные фотографии
и рисунки;
_ для обучения студентов представить мощную интерактивную поддержку в виде
анимаций, проверочных работ и вспомогательных средств.
Эти цели положены во главу угла «Основ генетики» и позволили сблизить различные
по содержанию и формату курсы. Несмотря на единство содержания и подходов
к подаче курса генетики, отдельные главгы достаточно независимы друг от друга, их
можно читать в произвольном порядке.
Новое в данном издании
Мы рады предложить читателям два педагогических новшества, которые способствуют
расширению кругозора и активному обучению. Книга была усовершенствована, чтобы
помочь преподавателям и студентам сосредоточиться на самой важной информации.
Специальные вопросы современной генетики В генетике появляются и развиваются
новые направления, поэтому в отдельные главы книги постепенно включались
небольшие специальные разделы. Во многих главах кратко упоминаются сведения
по общим вопросам генетики, поскольку без этого неподготовленному читателю
трудно усвоить материал соответствующей главы . Новым для настоящего издания
является раздел «Специальные вопросы современной генетики». Он содержит
ряд более коротких, вполовину от остальных, специализированных глав с точной
краткой информацией о новых направлениях современной генетики, представляющих
большой интерес для студентов и преподавателей. Одной из наших задач
было облегчить понимание лекций по каждой из тем книги и помочь слушателям
этих лекций. Пусть отдельные вопросы и не рассматриваются во время лекций,
но при чтении книги студенты могут ими заинтересоваться и прочитать материал
самостоятельно. Для настоящего дополненного издания мы впервые выбрали и
подробно осветили четыре наиболее важных вопроса по основополагающим темам
современной генетики:
1. Эпигенетика
2. ДНК-криминалистика
3. Геномика и персонализированная медицина
4. Стволовые клетки
Специальные разделы обозначены цветными закладками на полях издания и помещены
в конце книги, их можно читать независимо от других лекций. Многочисленные
иллюстрации для презентации лекционного материала по этим главам
доступны в формате Power Point.
Практическая генетика – мощная программа для домашней работы и тестирования
он-лайн, позволяющая студентам понять ключевые темы и приобрести навыки
решения задач по генетике. Кураторы учащихся могут исправлять ответы в режиме
обратной связи. Автоматическое тестирование позволяет сэкономить время и
выявить отдельных студентов или целые группы, у которых возникли трудности
в понимании материала.
Обновленный материал
Помимо новых мини-глав по специальным вопросам генетики, каждая из других глав
содержит дополнения, касающиеся современных открытий в генетике. Вот некоторые
из наиболее важных дополнений и обновлений:
Гл. 1: Введение в генетику • Исправлен раздел Истоки современной биологии • Переписан раздел о ДНК и РНК • Расширено обсуждение экспрессии генов • Обновлены
данные по биотехнологии • Внесены новые данные по геномике и протеомике.
Гл. 2: Митоз и мейоз • Появились новые данные и рисунок, включая роль когезина и
шугошина в процессе митоза и мейоза.
24 Предисловие
Гл. 3: Менделевская генетика • Добавлен раздел «Независимое комбинирование и мейоз».
Гл. 4: Отклонение от пропорций Менделя • Добавлено несколько задач.
Гл. 5:Определение пола и половые хромосомы • Добавлен материал по определению
пола у кур • Обновлены данные по определению пола у млекопитающих • Обновлены
данные по Y-хромосоме человека • Обновлены данные по механизму инактивации
Х-хромосомы.
Гл. 6: Хромосомные мутации: количественная и структурная изменчивость • Введен раздел
«Неинвазивная пренатальная генетическая диагностика (НПГД)».
Гл. 7: Сцепление генов и хромосомное картирование у эукариот • Добавлен материал по
хромосомному картированию с помощью ДНК-маркеров и базы данных с комментариями.
Гл. 8: Генетический анализ и картирование генов у бактерий и бактериофагов • Исправлены
рисунки, касающиеся конъюгации бактерий • Добавлено сравнение горизонтального
и вертикального переносов генов • Добавлен материал о множественной устойчивости
у бактерий.
Гл. 9: Анализ состава и структуры ДНК • Дополнена классификация ДНК по составу
и структуре.
Гл. 10: Репликация и рекомбинация ДНК • Добавлены рисунки, иллюстрирующие
репликацию ДНК.
Гл. 11: Структура хромосом и организация последовательности ДНК • Добавлен материал
о роли реконструкции хроматина в эпигенетической модификации • Введен новый
раздел о теломерных последовательностях ДНК и о теломерных РНК-содержащих повторах
(TERRA) • Добавлен новый материал о дифференциальной окраске хромосом
(бэндинге).
Гл. 12: Генетический код и транскрипция • Добавлены новый рисунок и описание
функций РНК-полимеразы при транскрипции ДНК у прокариот • Дополнение о
сплайсинге РНК.
Гл. 13: Трансляция и белки • Дополнение о функциональной роли рибосом в трансляции
РНК.
Гл. 14: Генные мутации, репарация ДНК и транскрипция • Добавлены новые разделы — «Алкилирование, интеркаляция и аддукт-формирующие агенты». Мутации одного
гена вызывают широкий спектр заболеваний у человека, в котором описаны соответствующие
мутации и обусловленные ими патологии.
Гл. 15: Регуляция экспрессии генов • Добавлены текст и рисунок, описывающие механизмы
аттенюации, переключения рибосом и чувствительные к метаболитам РНК •
Обновлен материал о коровых, сконцентрированных и диспергированных промоторах
и промоторных элементах, добавлены два рисунка.
Гл. 16: Генетика рака • Дополнение о гипотезе опухолевых стволовых клеток.
Гл. 17: Методы рекомбинантных ДНК • Изменен материал о методах рекомбинантных
ДНК • Дополнение о изотопном мечении ДНК и о широко используемых в настоящее
время неизотопных методах мечения и детекции, в частности, о меченых ДНК-пробах
и секвенировании • Дополнение о методах ПЦР с обратной транскрипцией (ОТ ПЦР)
и количественной ПЦР в реальном времени (кПЦР) • Добавлен материал о FISHгибридизации
и спектральном кариотипировании • Изменен материал о методах
Акцент на основных концепциях 25
секвенирования ДНК, включая автоматическое секвенирование с использованием
капиллярного электрофореза и методы следующего поколения • Изменен раздел «Задачи
и вопросы для обсуждения».
Гл. 18: Геномика и протеомика • Введен раздел после пуска проекта «Геном человека»,
включающий информацию о проекте «Микробиом человека» • Обновлен материал о
геноме человека, включая вариабельность копий генов • Расширен раздел о «каменном
веке» геномики и о новых данных, касающихся генома неандертальца • Расширен раздел
о сравнительной геномике, включая сравнение геномов модельных организмов и
человека • Дополнение о персональных геномах и секвенировании индивидуальных
диплоидных геномов • Введен раздел о геноме 10К • Обновлен материал о системной
биологии, включая новую схему, иллюстрирующую вклад различных генов в развитие
заболеваний человека.
Гл. 19: Прикладные и этические аспекты генной инженерии и биотехнологии • Дополнение
о синтетических геномах • Изменен и дополнен материал о генетическом тестировании
человека по заказу клиента (DTC) и патентировании генетической информации
• Введены новый раздел и рисунок по исследованию генома человека и генетически
обусловленных заболеваний • Обновлен материал о синтетических геномах применительно
к генетическому тестированию заказчиков (DTC) и патентированию
генетической информации.
Гл. 20: Генетика развития • Переработано обсуждение эволюционного консерватизма
механизмов развития на примере модельных организмов • Внесены уточнения в раздел
о генетическом анализе эмбриогенеза.
Гл. 21: Количественная генетика и полигенные признаки • Изменен материал по генетике
близнецов • Обновлены данные о локусах количественных признаков (QTLs).
Гл. 22: Популяционная и эволюционная генетика • Переписан раздел о макроэволюции
и специализации, добавлены новые примеры и два рисунка • Расширен материал о
филогенетическом анализе, добавлен рисунок • Изменен раздел о молекулярных часах,
добавлен рисунок • Обновлен материал по сравнительной геномике неандертальца и
современного человека.
Гл. 23: Консервативная генетика • Обновлены данные о видах, находящихся под угрозой исчезновения.
Приведенный выше список отражает быстрое увеличение потока информации по
генетике.
Акцент на основных концепциях
В настоящем издании большое внимание уделено принципиальным положениям
генетики и решению задач для более глубокого понимания материала. Мы рассматриваем
основные понятия в качестве когнитивных единиц для осмысления связанных с
генетикой научных открытий и идей. Такой подход обеспечивает широту и образность
мышления, которые, на наш взгляд, необходимы для изучения всех наук, включая
генетику. Детали, которые можно запомнить и быстро забыть, сгруппированы в концептуальные блоки и их легко восстановить в памяти. Такие информационные блоки
излагаются как отдельные темы либо в связи с другими концепциями, что улучшает
интеграцию знаний и взаимосвязанных процессов или идей. Обширную группу понятий
можно расширять и усваивать как научную дисциплину, что и является целью
нашего учебника. Студенты нацелены на понимание основных аспектов и тематических
разделов, поэтому каждая глава начинается с раздела «Содержание главы», в котором
обозначены самые важные идеи главы. В каждой из глав книги имеются ключевые
вопросы для обсуждения. Вопрос «Знаете ли вы?» предваряет список задач в конце
главы, для решения которых от студентов требуется знание экспериментальной базы
для важнейших генетических понятий, сформулированных в соответствующей главе.
Раздел «Наука как путь к познанию» дает информацию за рамками учебного курса и
углубляет понимание основных положений генетики, изложенных в главе.
Все эти особенности книги позволяют надеяться, что студенты будут хорошо осведомлены
в генетике и станут разбираться в основных понятиях. В изучении важных
генетических терминов и понятий им содействует также обширный словарь терминов
и тщательно выполненные иллюстрации.
Акцент на решение задач
Формирование у студентов навыка решения задач – одна из важнейших целей курса
по генетике. Подсказка в тексте «Решим задачу» требует от студентов решения задачи
с привлечением усвоенных ими знаний. Предложенные задачи максимально приближены
к обсуждаемой в учебнике теме, и с помощью преподавателя студентам можно
найти правильное решение. В каждой главе имеются «Примеры решения задач» – очень
популярный и востребованный раздел, в котором представлены типовые задачи, их
решение и подходы для генетического анализа. Это помогает студентам в развитии
аналитического мышления и навыков постановки экспериментов. Объяснение в разделе
«Примеры решения задач» служит для студентов инструкцией к решению задач и
обсуждению вопросов, помещенных в каждой из глав. Эти вопросы обзорного характера
и генетические задачи важны для анализа и практического приложения усвоенных
понятий. Задачи расположены в порядке возрастания сложности. В Приложении к
«Практической генетике» мы сосредоточились на решении задач в режиме он-лайн,
что позволяет студентам практиковаться в решении задач с посторонней помощью.
Тематические разделы
В восьмое издание книги вошли научно-популярные термины и понятия, которые
весьма полезны для изучающих генетику. Они создают основу для более вдумчивого
и глубокого восприятия курса генетики.
Исследовательская геномика. О ней идет речь в 10 главах книги, и это указывает на
распространенность термина в учебном курсе современной генетики. Студенты
направляются на один или несколько веб-сайтов, которые предоставляют доступные
сетевые ресурсы и базы данных по геномике и смежным областям науки.
Учащиеся выполняют задания в интерактивном режиме, укрепляя свои знания по
геномике или протеомике. Упражнения показывают способы освоения специфичных
тем и дают доступ к получению необходимых данных. Вопросы ориентируют
студентов на дальнейший самостоятельный поиск и анализ информации. Важно,
что «Исследовательская геномика» интегрирует информацию в текст учебника в
соответствии с содержанием главы. Это обеспечивает возможность индивидуальных
или групповых учебных занятий как в самой аудитории, так и за ее пределами.
Генетика, технология и общество. Этот раздел представлен в 12 главах, в нем дается
краткая характеристика одного из направлений генетики, которое напрямую связано
с современным обществом. В конце каждой такой заметки имеется рубрика
«Ваше мнение», которая ставит перед учащимися вопросы и предлагает для ответа
различные сетевые ресурсы. Это нововведение обеспечивает другой формат для
усиленного взаимодействия студентов и преподавателей в учебной аудитории.
Случай из практики. Этот раздел размещен в конце каждой из глав и создает основу
для взаимодействия в аудитории. Каждый из описанных случаев тесно связан с
темами соответствующей главы, за его описанием следует несколько вопросов.
От учащихся требуется применить полученные знания в реальной жизненной
ситуации путем обсуждения в группе или индивидуально.
Информация для преподавателей
Практическая генетика – электронный адрес –
http://www.masteringgenetics.comЭтот раздел направляет студентов к сетевым ресурсам и позволяет без труда строить
учебный процесс. Преподаватели обеспечивают учащимся персональный доступ и
обратную связь. С помощью оценок можно отслеживать успеваемость и результаты
тестирования. Практическая генетика предоставляет результаты для итоговой оценки.
Сетевые ресурсы содержат следующее:
_ подробные инструкции с подсказками и обратной связью в случае непонимания
темы;
_ библиотека по заданной тематике, включая задачи в конце главы, вопросы для
тестирования и результаты проверки заданий. Можно пользоваться предварительно
подготовленным издателями быстрым доступом. Каждый из вопросов легко
редактировать в соответствии с языком пользователя;
_ журнал успеваемости с быстрым доступом к результатам и с оценкой качества
работы.
Ресурс на DVD для инструкций (0-321-185719-4)
В восьмом издании DVD- ресурс обеспечивает удобный доступ к большинству новых
и исчерпывающих лекционных презентаций и обучающих средств, предлагаемых в
любом учебнике по генетике. Эта разработка отвечает нуждам как опытных, так и
начинающих преподавателей. Данный ресурс содержит:
_ файлы в формате JPEG для всех штриховых рисунков с отдельно увеличенными
легендами для оптимального показа результатов (а также версии без метки файла)
и все таблицы из текста книги;
_ большинство фотографий из текста в формате JPEG, включая особо важные для
преподавателей;
_ штриховые рисунки в формате JPEG и таблицы, загруженные в PowerPoint®, для
презентации каждой главы;
_ второй набор презентаций в формате PowerPoint®, содержащих полный конспект
лекций по каждой главе и ключевые иллюстрации к тексту;
_ впечатляющие серии емких анимаций, которые придают важнейшим положениям
и процессам, описанным в тексте, глубину, визуальную ясность и динамичность;
_ анимации преподавателя, загруженные в PowerPoint®, для презентации каждой
главы
_ презентации в формате PowerPoint®, содержащие полный комплект вопросов по
каждой главе для работы с помощью аудиторной респонсивной системы (CRS);
_ полный комплект вспомогательных материалов, вопросов и ответов из банка
тестов, а также вопросов из глав книги и вопросов к практическим занятиям с
носителями информации в формате Word.
Программное обеспечение для компьютерного тестирования
TestGen EQ (O-321-185720-8)
Тестовые вопросы доступны как часть системы TestGen EQ – тестовой программы,
подключаемой к сети для контролирования тестов. Преподаватели могут также просматривать
и редактировать вопросы, выводить тестовые вопросы и распечатывать их
в различных форматах.
Информация для студентов
Учебник и решебник для студентов, автор Гарри Никла (Harry
Nickla), Университет Крейгтона (Эмеритус) (0-321 185721-6)
Это ценное учебное пособие содержит детальные пошаговые решения или подробное
обсуждение каждой из текстовых задач. В учебнике имеются дополнительные обучающие
задачи, резюме к главам, упражнения по терминологии и краткое руководство,
как изучать генетику.
Практическая генетика – электронный адрес – http://www.
masteringgenetics.comЭтот он-лайн ресурс используют свыше 1 млн студентов научного профиля. Он также
широко и эффективно используется для обучения, домашней работы и для научных
целей, позволяет лучше подготовиться к экзаменам. Будучи вспомогательной системой
для домашней работы с преподавателями, «Практическая генетика» предоставляет
студентам множество вспомогательных средств для усвоения основных тем и
концепций и формирования навыков решения задач. Руководство позволяет изучать
генетику в произвольном ритме, обеспечивая индивидуальный подход с подсказками
и обратной связью в случае непонимания темы. Студенты могут пользоваться также
обучающим пособием по практической генетике, включающем анимации, текстовые
файлы, упражнения поисковой генетики и другие обучающие средства. Интерактивный
электронный текст позволяет прояснить текст, добавить обучающие заметки и обзор
замечаний преподавателя, вести поиск по тексту.
Благодарности
Рецензенты
Многие коллеги внесли неоценимый вклад в обширный по тематике текст. Особая
благодарность тем, кто дал ценные советы и сделал конструктивные замечания и/или
внес предложения, касающиеся содержания восьмого издания, в частности:
Алте К. Алтон (Althea K. Alton) и Томасу Г.Алтону (Thomas H. Alton), Западный Университет,
шт. Иллинойс; Брайану Ашбурнеру (Brian Ashburner), Университет Толедо;
Джорджу Бейтсу (George Bates), Государственный Университет шт. Флорида; Марку
Брику (Mark Brick), Государственный Университет шт. Колорадо; Джиллу Бутнеру (Jill
Buettner), Ричланд колледж; Сьюзан Копассо (Susan Capasso), Сент-Винсент колледж;
Арону Кассилю (Aaron Cassill), Университет шт. Техас, Сан-Антонио; Стиву Дэнисону
(Steve Denison), Колледж Эккерда; Джону П. Досе (John P. Doucet), Государственный
Университет Николса; Курту Эллиотту (Kurt Elliott), Северо-Западный Колледж Висты;
Леману Л. Эллису (Lehman L. Ellis), Колледж Страстной Богоматери; Виктору Фету
(Victor Fet), Университет Маршалла; Кларенс Е. Фоше (Clarence E. Fouche), Межгорный
Колледж, шт. Вирджиния; Гейлу Фрайзеру (Gail Fraizer), Кентский Государственный
Университет; Александросу Георгакилосу (Alexandros Georgakilas), Университет Восточной
Каролины; Эдварду Ф. Голенбергу (Edward F. Golenberg), Государственный Университет
Уэйна; Джону Грею (John Gray), Университет Толедо; Даниэлле Хэмилл (Danielle
Hamill), Университет Уэслин, шт. Огайо; Дэвиду Кассу (David Kass), Восточный Университет,
шт. Мичиган; Мэри Кимбэл (Mary Kimble), Северо-восточный Университет, шт.
Иллинойс; Джоан Кух (Joan Kuh), Гавайский Университет; Джозефу Килковски (Jospeh
Kulkosky), Колледж Честнат Хилл; Алану К. Леонарду (Alan C. Leonard), Флоридский
Технологический Институт; Жанет Льюис (Janet Lewis), Мичиганский Государственный
Университет; Джанетт М. Лотч (Jeannette M. Loutsch), Университет науки и исскуств,
шт. Оклахома; Рою Б. Мэсону (Roy B. Mason), Горный Колледж Сан-Хасинто, шт. Техас;
Филиппу Мак-Клину (Philip McClean), Государственный Университет Северной
Дакоты; Шону Мегеру (Shawn Meagher), Университет Западного Иллинойса; Садхиру
Наяку (Sudhir Nayak), Колледж Нью Джерси; Гарри Никла (Harry Nickla), Университет
Крегтона; Филиппу А. Ортису (Phillip A. Ortiz), Имперский Государственный Колледж;
Терренс Пурье (Terrence Puryear), Иллинойский Северо-восточный Университет; Томасу
Ф. Саважу (Thomas F. Savage), Орегонский Государственный Университет; Брайану
В. Шварцу (Brian W. Schwartz), Колумбийский Государственный Университет; Алану
Щовальтеру (Allan Showalter), Университет Огайо; Томасу Смиту (Thomas Smith),
Университет Южного Арканзаса; Татьяне Татум (Tatiana Tatum) Университет СентХавьер;
Патти Томпсон (Pattie Thompson), Техасский Университет, Сан-Антонио;
Полю Уилсону (Paul Wilson), Университет Трента; Майклу Заровитцу (Michael Zarowitz),
Калифорнийский Политехнический Институт – Сан Луис-Обиспо ( );
Полностью отвечая за возможные ошибки в данной книге, мы благодарим за помощь
и вклад в издание всех вышеперечисленных коллег.
Соисполнители
Особая благодарность всем, кто принимал непосредственное участие в многочисленных
правках текста. Мы признательны Саре Уорд (Sarah Ward) из Государственного
Университета Колорадо за работу над главой «Консервативная генетика»; Садхиру
Наяку (Sudhir Nayak) из Колледжа Нью-Джерси за работу над текстами по геномике;
Дэвиду Кассу (David Kass) из Восточного Университета, шт. Мичиган, Катерине Юхази
(Katherine Uyhazi) из Йельской Медицинской Школы и Тамаре Манс (Tamara Mans) из
Общественного Колледжа, Сев. Хеннепин, за большую работу над разделами «Генетика,
технология и общество»; Эллиотт Гольдштейн (Elliott Goldstein) из Государственного
Университета Аризоны за материалы по молекулярной генетике, Майку Гуидри (Mike
Guidry) из Лайт-Кон Интерактив и Карен Хьюдж (Karen Hughes) из Университета
Теннесси за оригинальные медийные программы. Мы также благодарим Ютту Хеллер
(Jutta Heller) из Университета Вашингтона, Такома, Джона Остермана (John Osterman)
из Университета Небраски, Линкольн, Вирджинию Мак-Доннау (Virginia McDonough)
из Хоуп-Колледжа, Кирен Мисра (Kiran Misra) из Университета Эдинборо в Пенсильвании
за работу над медийными программами. Особая благодарность Гарри Никла,
(Harry Nickla) недавно ушедшему на пенсию, из Университета Крейгтона. Он является
автором «Руководства для студентов», написавшим множество задач, и автором раздела
«Ответы на избранные вопросы» в Приложении А. Мы благодарны всем перечисленным
коллегам не только за генетическую экспертизу, но и за их преданность
этому проекту, за приятное и полезное взаимодействие.
Вклад в редактирование и выпуск книги
Выражаем персональную признательность Майклу Джиллеспи за редакторское руководство,
его идеи и усилия помогли сформировать и улучшить издание. Дасти Фридман,
редактор проекта, приложила немало усилий для сохранения стандартов высокого
качества. Наша редакционная коллегия – Дебора Гейл – исполнительный директор по
развитию, Лаура Томмази – старший медиапродюсер, Даниэль Росс и Каролин Росс –
ассистенты медиапродюсера, Джулиана Трингали – редактор проекта, Зан Колеман –
специалист по информационным ресурсам, Таня Млави – директор редакторской
коллегии – внесла ценный вклад в настоящее издание. Все они творчески работали над
книгой, чтобы педагогика и дизайн книги, а также информационный компонент были
на самом современном уровне быстро изменяющейся науки. Садхир Наяк из Колледжа
Нью-Джерси прекрасно поработал над программой «Практической генетики», и мы
признательны ему за материалы по геномике. Камилла Херрера очень внимательно
проверила и уточнила все сложные и запутанные места в тексте. Приносим благодарность
Бетти Песано, которая отредактировала формат и стиль, а также исправила
ошибки в тексте. Лорен Харп с большим энтузиазмом профессионально занималась
реализацией книги. Наконец, красивая и содержательная презентация работы стала
возможной благодаря инженерно-издательской группе из Торонто. Без самоотдачи
и этики указанных коллег наше издание не состоялось бы. Благодарность за правку
600-страничной рукописи не выразить никакими словами. Мы выражаем огромную
признательность всем коллегам, терпеливо, настойчиво и старательно выполнившим
эту задачу, а именно: Вирджинии Мак-Донау, Форду Люксу, Мэтью Джилгу и Брайану
Флинну – недавним выпускникам Колледжа Нью Джерси.
Как следует из многочисленных благодарностей, книга появилась в результате совместной
работы, и все перечисленные коллеги причастны к успеху издания. Хотелось
бы сказать, что наша признательность не уступает их необычайной преданности делу,
которая выразилась в затраченных ими усилиях.
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В ГЕНЕТИКУ
Содержание главы
_ Генетика двадцать первого века основана на традициях открытий и экспериментов,
обогащавших науку с древних времен до наших дней.
_ Трансмиссионная генетика изучает основополагающий процесс передачи генов и
наследуемых признаков из поколения в поколение.
_ Мутантные штаммы можно использовать в генетических скрещиваниях для локализации
и картирования генов на хромосомах.
_ Модель структуры ДНК Уотсона–Крика проясняет способ хранения и воспроизведения
генетической информации. Это открытие лежит в основе молекулярной
генетики.
_ Биотехнология создает генетически модифицированные организмы и соответствующие
продукты, которые широко используются в сельском хозяйстве, медицине
и промышленности.
_ Для исследования заболеваний человека современная генетика вместе с методом
рекомбинантных ДНК и геномикой использует модельные организмы.
_ Генетические технологии опережают регулирующие их политические и законодательные
акты и соглашения.
Современные модельные организмы включают круглого червя, С. еlegans, полосатую
рыбку данио, D. rerio, и мусорное растение резушку Таля (арабидопсис), A. thaliana
В декабре 1998 г. исландский парламент принял закон , разрешающий биотехнологической
компании deCODE Genetics получать лицензии на создание и использование
базы данных с медицинской информацией о всех 270 000 жителях страны. Все записи
в базе данных, полученных из Отдела здравоохранения (HSD), были закодированы
для обеспечения анонимности. Этот закон также разрешал deCODE Genetics соотносить
информацию HSD с генеалогической базой данных Национального архива и с
результатами анализа образцов ДНК, полученных от исландских доноров. Сочетание
медицинских, генеалогических и генетических данных позволило deCODE Genetics
получить мощный информационный ресурс, который предлагался исследователям и
компаниям на рынке в течение 12 лет, вплоть до 2012 г.
Это не сценарий научно-фантастического фильма, вроде Гаттаки1, а пример реального
комплексного взаимодействия генетики и общества в первых десятилетиях
двадцать первого века. Развитие и применение таких баз данных в Исландии стимулировало
сходные крупномасштабные проекты в Великобритании, Эстонии, Латвии,
Королевстве Тонга2. В США были воплощены программы исследования относительно
небольших групп населения, включающих от нескольких десятков до нескольких тысяч
человек. Все эти базы данных предназначены для поиска генов предрасположенности
к сложным наследственным заболеваниям. Для своего беспрецендентного проекта
специалисты из deCODE Genetics выбрали Исландию, поскольку среди жителей этой
страны очень высок уровень генетического родства.
Интерес генетиков к жителям маленькой удаленной страны объясняется многими
причинами. Население Исландии уникально по своей генетической однородности
и доступности для исследователей. Почти все исландцы генетически очень близки
между собой, а также близки своим предкам – викингам, заселившим остров более
1000 лет тому назад. Вот почему генетики считают исландскую популяцию исключительно
ценной для изучения наследственных болезней. Медицинские сведения о
каждом исландце имеются в государственной системе здравоохранения, начиная с ее
становления в 1900 году. Родословные всех проживающих в Исландии также вполне
доступны, равно как информация о более чем 500 000 человек из предполагаемых 750-
ти тысяч, которые когда-либо проживали в Исландии.
По этим причинам базы данных по Исландии представляют особую ценность для
поиска генов, контролирующих сложно наследуемые заболевания. К успехам этого
проекта можно отнести идентификацию и характеристику генов, отвечающих за
такие известные заболевания, как астма, сердечно-сосудистые патологии, инсульт,
остеопороз и др.
С другой стороны, использование генетических технологий порождает противоречия,
связанные с конфиденциальностью, необходимостью согласия пациентов на
обследование и с коммерциализацией данных. Другая сторона вопроса, вызывающая
споры среди приверженцев новой генетической технологии, – конфиденциальность
сведений и механизмы обмена такой информацией.
Основной вопрос, который задают научному сообществу, заключается в том, как
реально можно использовать столь масштабную информацию. К примеру, каким образом
можно использовать знания о полной нуклеотидной последовательности генома
человека? Приведет ли раскрытие генетических данных к дискриминации со стороны
работодателей или страховых компаний? Станут ли широко доступными такие генетические
технологии, как пренатальная диагностика и генная терапия? Фактически
любой момент в истории науки отмечен такого рода этическими проблемами. Это связано
с появлением какой-либо новой технологии и с возможным риском применения
информации, полученной с помощью этих технологий.
Начиная изучать генетику, постарайтесь не потерять нюансы при восприятии материала.
В вводной главе мы даем обзор генетики, включая основные исторические
вехи, краткое описание принципов науки и последних разработок. Все из обсуждаемых
в главе тем будут рассмотрены в дальнейшем более детально. В последующих главах
книги мы вернемся к обсуждению некоторых разногласий и коснемся дебатов вокруг
ряда проблем. Полученные вами знания помогут в понимании проблем современной
генетики. Момент погружения в суть изучаемого предмета, пожалуй, самый волнующий,
но и требующий осторожности. Учитесь с удовольствием, но не забывайте о том,
что начинающие генетики также несут свою долю ответственности перед обществом.
1.1. У генетики богатая интересная история
Точно не известно, когда человечество распознало наследственную природу некоторых
признаков. Однако археологические находки, например, первобытное искусство, сохранившиеся
кости и черепа, высохшие зерна, указывают на успешное разведение человеком
домашних животных и культурных растений путем искусственной селекции диких
видов уже тысячи лет тому назад. Лошади, верблюды, овцы и волки были приручены
людьми между 800–1000 гг. до н.э. Примерно 5000 лет до н.э.началось культивирование
многих сельскохозяйственных растений, включая кукурузу, пшеницу, рис, финиковую
пальму. Это доказывает, что наши предки могли манипулировать видовым генофондом.
Древнегреческие философы одними из первых попытались объяснить наследование
признаков. Они связывали наследственность с происхождением человека, размножением
и наследственностью в широком смысле. Подобные объяснения мы находим в
трудах Гиппократа (500–400 гг. н.э.) и Аристотеля (384–322 гг. н.э.). Так, Гиппократ в
своем трактате о семени рассматривал в качестве носителей наследственности гумор,
находящийся в разных частях тела. Попадая в мужское семя, эти носители могут нести
болезни или здоровье, что отражается на состоянии потомства. Гумор может повреждаться
на протяжении всей жизни человека, поэтому потомство может наследовать
признаки, приобретенные их родителями.
Аристотель предполагал, что генеративная сила мужского семени находится в так
называемом жизненном центре. Этот центр обеспечивает появление потомства, сходного
по своим признакам с родителями. Аристотель считал, что женский организм – это
«физическая субстанция», дающая начало потомству посредством собственной крови.
Зародыш развивается не потому, что представляет собой миниатюрную копию человеческого
организма, как предполагал Гиппократ, а за счет энергии жизненного центра.
Несмотря на наивность и примитивизм этих теорий, к ним неоднократно возвращались
вплоть до 1800 г., до открытия мужских и женских половых клеток. Поэтому
идеи греческих философов были востребованы на протяжении веков.
1600–1850-е годы: на заре современной биологии
В течение почти 1900 лет (с 300 по 1600 гг. н.э.) не появилось ни одной значимой
теории наследственности. Однако во времена Римской империи селекция животных
и растений была обычным делом. В средние века ученые опасались развивать идеи
о наследственности из религиозных соображений. Это касается также теорий Гиппократа
и Аристотеля. Между 1600–1850 гг. появились исследования, которые позволили
глубже понять основы жизни: увидели свет работы Чарльза Дарвина и Грегора
Менделя. В 1600 г. английский анатом Уильям Харвей (1578–1657) написал трактат
о размножении и развитии, в котором он придерживался теории эпигенеза. Согласно
этой теории организм развивается из яйца, приобретая свойственную ему структуру
в процессе эмбрионального развития.
Теория эпигенеза противоречила взглядам, распространенным в XVII веке, что
половые клетки содержат уже готовый человеческий организм в миниатюре, так называемый
гомункулус (рис. 1.1). Теория преформации, то есть раннего формирования
человеческого организма, оставалась популярной вплоть до XVIII века. Примерно
в 1830 г. Маттиас Шлейден и Теодор Шванн на основании результатов, полученных
с помощью усовершенствованного микроскопа, предположили, что все организмы
состоят из клеток. Идея зарождения живых организмов из неживых компонентов была
опровергнута в конце века Луи Пастером. Стало общепринятым мнение, что живые
организмы происходят от живых предшественников и состоят из клеток. В середине
1800-х гг. Чарльз Дарвин и Грегор Мендель в своих основополагающих работах заложили
предпосылки для быстрого развития генетики в двадцатом и двадцать первом веках.
Чарльз Дарвин и эволюция
Завершим краткий исторический экскурс знакомством с трудами
Чарльза Дарвина. В 1859 г. он опубликовал свою работу « Происхождение
видов», в которой обосновал теорию эволюции. На основании многочисленных геологических, географических и биологических наблюдений он сделал вывод об изменчивости видов. В результате грандиозной экспедиции на корабле «Бигль»
(1831–1836) Дарвин дополнил свою теорию учением о естественном
отборе и попытался объяснить механизмы эволюции.
Независимо от Дарвина, принципы естественного отбора были
сформулированы Альфредом Уоллесом. Он утверждал, что в
популяции поддерживается большая численность особей (потомства),
чем это возможно в определенных условиях среды, что
обусловливает борьбу за существование. При этом организмы,
обладающие лучшей приспособленностью к данной среде, выживают
и размножаются эффективнее, чем менее приспособленные.
Небольшие, но дающие некоторое преимущество в выживании
модификации признаков могут накапливаться длительное время.
При изоляции определенной популяции, несущей такие наследственные изменения,
возможно образование новых видов.
Основной недостаток теории Дарвина, который подвергся справедливой критике
в двадцатом столетии, состоял в том, что изменчивость и наследственность не имели
под собой генетической базы. Почти одновременно с Дарвиным, в 1856–1863 годах,
Грегор Иоганн Мендель проводил эксперименты, результаты которых были опубликованы
в 1866 году. Мендель продемонстрировал статистические закономерности,
обусловливающие наследственность, и для объяснения этих закономерностей развил
теорию о наследственных факторах в зародышевых клетках. Но его работа была забыта
до 1900 г., времени повторного открытия обнаруженных им закономерностей Карлом
Корренсом, Гуго де Фризом и Эриком фон Чермаком.
В начале XX в. были открыты хромосомы, что подтвердило теорию эпигенеза.
Постепенно стало очевидно, что наследственность и развитие организма обусловлены
информацией, «записанной» в хромосомах и содержащейся в половых клетках
каждой особи. Таким образом, «бреши» в теории Дарвина заметно сократились. Законы
Менделя и по сей день представляют собой фундаментальные основы генетики.
1.2. Менее чем за век генетика выросла от законов
Менделя до структуры ДНК
Генетические процессы лежат в сердцевине биологической науки и жизни в целом.
Точка отсчета генетики как науки находится в конце 1850-х гг., в монастырском саду
Центральной Европы.
Труды Менделя по передаче признаков потомству
Августинский монах Грегор Мендель провел десятилетнюю серию экспериментов с
горохом. Количественный анализ признаков показал, что они передаются от родителей
потомству в предсказуемых пропорциях. В дальнейшем Мендель пришел к выводу,
что признаки контролируются парой генов и при образовании гамет (яйцеклеток и
сперматозоидов) гены каждой пары расходятся в половые клетки независимо друг от
друга. Опубликованная в 1866 г. работа Менделя долго оставалась неизвестной. Ее
стали цитировать лишь в 1900-х гг., после повторного открытия этих закономерностей.
Подтвержденные законы Менделя позволили объяснить передачу признаков у гороха
и других организмов. Они легли в основу генетики – области биологии, изучающей
наследственность и изменчивость. О Менделевской генетике идет речь в главах 3 и 4.
РЕЗЮМЕ
Работа Менделя на горохе установила принципы передачи генов от родителей потом-
ству и заложила основы науки генетики.
Хромосомная теория наследственности: законы Менделя и мейоз
Законы Менделя были открыты задолго до изучения структуры и роли хромосом. С помощью
усовершенствованного микроскопа исследователям удалось идентифицировать
хромосомы лишь спустя 20 лет после публикации трудов Менделя (рис. 1.2). Оказалось,
что представители каждого вида эукариот имеют в большинстве клеток специфическое
число хромосом, называемое диплоидным числом (2n). У человека диплоидное число
хромосом равно 46 (рис. 1.3). В диплоидных клетках хромосомы образуют пары, называемые
гомологичными хромосомами.
В конце девятнадцатого века ученые описали поведение хромосом во время деления
клеток в митозе и мейозе. В митозе хромосомы удваиваются и расходятся таким
образом, что в каждую дочернюю клетку попадает набор хромосом, идентичный родительскому (рис. 1.4). При мейозе в гамету попадает только одна из пары гомологов,
и гамета несет гаплоидное число хромосом (n). Уменьшение числа хромосом вдвое позволяет
поддерживать постоянство хромосомного состава в потомстве после слияния
гаплоидных гамет, и у вида в целом.
В начале двадцатого века Уолтер Саттон и Теодор Бовери независимо друг от друга
показали, что поведение хромосом в мейозе соответствует поведению генов в процессе
формирования гамет, описанному Менделем. Эти ученые предположили, что пары
генов находятся в соответствующих парных хромосомах и распределяются при образовании
гамет независимо (рис. 1.5). Они самостоятельно сформулировали хромосомную
теорию наследственности, которая утверждает: наследуемые признаки контролируются
генами, расположенными на хромосомах, и точно передаются в гаметы, поддерживая
в поколениях генетическое постоянство.
РЕЗЮМЕ
Хромосомная теория наследственности объясняет, как генетическая информация
передается из поколения в поколение.
Генетическая изменчивость
Почти одновременно с появлением хромосомной теории наследственности ученые
приступили к изучению наследования признаков у фруктовой мушки Drosophila
melanogaster. Сначала среди красноглазых мух дикого типа были обнаружены белоглазые
мухи (рис. 1.6). Это изменение окраски глаз вызвано мутацией в одном из
генов, контролирующих цвет глаз. Мутация – это любое наследуемое изменение в
последовательности ДНК, источник всей генетической изменчивости.
Белые глаза у Drosophila обусловлены мутантным аллелем гена, контролирующего
окраску глаз. Аллели представляют собой альтернативные формы гена. Разные аллели
могут обусловить различие наблюдаемых признаков, или разные фенотипы организма.
Набор алллелей, определяющих данный признак организма, называется генотипом.
Используя генные мутации в качестве маркеров, генетики могут картировать гены
на хромосомах (рис. 1.5).
Поиск химической природы генов: ДНК или белок?При исследовании белоглазых мух оказалось, что мутантный признак связан с единственной
хромосомой и это подтверждало идею о локализации генов на хромосомах.
Затем исследователи обратили внимание на поиск химических компонентов хромосомы,
несущих генетическую информацию. К 1920-м гг. уже выяснилось, что основными
составляющими хромосом являются белки и ДНК. Было идентифицировано
огромное количество различных белков с универсальным распределением их в ядре и
цитоплазме, поэтому многие ученые считали носителями генетической информации
именно белковые молекулы.
В 1944 г. Освальд Эмери, Колин Мак-Леод и Маклин Мак-Карти из Рокфеллеровского
института в Нью-Йорке опубликовали результаты экспериментов, доказывающие, что
у бактерий носителем генетической информации является ДНК. Однако эти ясные доказательства не убедили многих влиятельных ученых. Дополнительные доказательства
роли ДНК как носителя генетической информации были получены от исследователей,
работавших с вирусами. Эти, а также результаты последующих исследований позволили
основательно утверждать, что не белок, а именно ДНК является генетическим материалом.
На следующем этапе нужно было установить структуру молекул ДНК.
1.3. Открытие двойной спирали стало началом эры
молекулярной генетики
Когда выяснилось, что ДНК несет генетическую информацию, ученые сконцентрировались
на расшифровке структуры молекул ДНК, на механизмах хранения генетической
информации и ее проявления в фенотипе.
Структура нуклеиновых кислот
Двуспиральная структура ДНК и ее строение показаны на рис. 1.7. Молекулы ДНК
находятся в клетках в виде длинных спиралевидных структур, называемых двойной
спиралью. Каждая цепь такой спирали представлена полимерной молекулой, построенной
из нуклеотидов четырех типов. В состав нуклеотидов входят четыре азотистых
основания: А (аденин), G (гуанин), T (тимидин) и C (цитозин). Эти основания — своего
рода генетический алфавит, от различных комбинаций которого зависит состав
белковой молекулы. В 1953 г. было сделано одно из величайших открытий двадцатого
века. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предположили, что две цепи двуспиральной
молекулы ДНК в точности комплементарны друг другу, так что витки «лестницы»
всегда состоят или из пар А=Т, или G≡С. За исследование структуры ДНК Уотсон
и Крик вместе с Морисом Уилкинсом получили в 1962 г. Нобелевскую премию. Мы
обсудим структуру ДНК в гл. 9.
Как мы увидим в дальнейшем, комплементарность между аденином и тимидином, а
также между гуанином и цитозином достигается за счет водородных связей. Благодаря
комплементарности этих оснований происходит точная репликация молекулы ДНК и
дальнейшая транскрипция на молекулу РНК. Специальные ферменты строят на одной
из цепей молекулы ДНК, как на матрице, комплементарную цепь.
Молекулы РНК очень близки по строению к ДНК. Однако вместо остатка дезоксирибозы
они содержат остаток сахара рибозы, а тимидин замещен в РНК урацилом.
В отличие от двуспиральной ДНК, молекулы РНК обычно одноцепочечные и могут
формировать комплементарные структуры – гетеродуплексы – с одной из цепей ДНК.
Экспрессия генов: от ДНК к фенотипу
Генетическая информация, закодированная в виде определенной последовательности
нуклеотидов в молекуле ДНК, поэтапно экспрессируется и затем проявляется в фенотипе.
В эукариотических клетках этот процесс начинается с транскрипции в ядре.
Нуклеотидная последовательность одной из цепей молекулы ДНК служит матрицей
для построения комплементарной последовательности РНК, как показано вверху на
рис. 1.8. Затем молекула мРНК (messenger RNA) попадает в цитоплазму клетки и связывается
с рибосомами. Биосинтез белка на молекуле мРНК называется трансляцией
(в центре рис. 1.8).
Информация, закодированная в молекуле мРНК и называемая генетическим кодом,
представлена триплетами нуклеотидов, расположенных в определенной последовательности.
Каждый триплет, или кодон, комплементарен последовательности нуклеотидов
в ДНК и определяет позицию соответствующей ему аминокислоты в молекуле белка.
Белки – это полимеры, молекулы которых построены из аминокислот – мономеров
(внизу рис. 1.8). Обычно в состав белков входит 20 различных аминокислот.
В сборке молекулы белка участвуют адаптерные, или транспортные РНК ( тРНК).
Молекулы тРНК узнают кодоны мРНК и переносят соответствующие аминокислоты
в процессе сборки белка на рибосомах при трансляции.
Белки и их биологические функции
Итак, белки – это конечные продукты экспрессии генов. Белковые молекулы выполняют
множество различных функций и отвечают за важнейшие свойства живых организмов.
Комбинации 20 аминокислот, как и комбинации 20 букв алфавита, дают тысячи различных
«слов», обеспечивая разнообразие структур и функций белковых молекул.
Допустим, что молекула белка состоит всего из 100 аминокислотных остатков, причем
в каждой позиции находится любая из 20 аминокислот. Тогда число различных
молекул такой длины равно 20100. Поскольку 20100 превышает 5 × 1012, то есть больше
5 триллионов, то можно представить, насколько велико это число! Очевидно, что в
эволюции закрепился класс молекул с огромным потенциалом разнообразия, создающий
основу биологических систем.
Основной класс белков – это энзимы, или ферменты. Молекулы ферментов служат
биологическими катализаторами, обеспечивающими высокую скорость биохимических
реакций в живых организмах. Например, при участии ферментов снижается
энергия активации и метаболизм протекает при температуре человеческого тела.
Для функционирования клеток и организмов крайне важны такие белки, как
гемоглобин – кислород-связывающий белок эритроцитов, инсулин – гормон поджелудочной
железы, коллаген – белок в составе соединительной ткани, гистоны –
хромосомные белки, актин и миозин – сократительные белки мышц, иммуноглобулины
– белки в составе антител иммунной системы организма. Специфичные белки
входят в состав всех клеточных мембран и служат для регуляции экспрессии генов.
Огромное количество функций белков объясняется разнообразием их трехмерных
структур, образованных из уникальных линейных последовательностей аминокислот в
составе белковых молекул. Информация об этих последовательностях записана в генах
и передается молекуле мРНК, а затем в процессе трансляции – белковой молекуле.
Связь генотипа с фенотипом: серповидноклеточная анемия
Биохимические и структурные свойства синтезированного белка отражаются в фенотипе.
Мутация в гене может привести к изменению или полной утрате функций белка и
повредить фенотип. Чтобы проследить эту цепь событий, рассмотрим наследственное
заболевание человека – серповидноклеточную анемию.
Это заболевание вызвано мутантной формой гемоглобина – белка, который переносит
в клетки кислород из легких. Молекула гемоглобина состоит из двух белков –
α-глобина и β-глобина, кодируемых различными генами. При серповидноклеточной
анемии мутация в гене, кодирующем β-глобин, приводит к замене одной из 146 аминокислот
в молекуле этого белка. На рис. 1.9 показана часть последовательности ДНК,
а также соответствующие кодоны мРНК и аминокислотные последовательности в
нормальной и мутантной формах молекулы β-гемоглобина. Замена одного нуклеотида
в молекуле ДНК приводит к изменению кодона 6 мРНК с GAG на GUG и к замене
аминокислоты в позиции 6 с глутаминовой кислоты на валин. Эта мутация не затрагивает
другие 145 аминокислот в молекуле белка.
У носителей двух копий мутантного гена β-глобина развивается серповидно-клеточная
анемия. При низкой концентрации кислорода в красных кровяных клетках, развивается
анемия, вызванная недостаточностью красных кровяных клеток. Эритроциты
серповидной формы затрудняют кровоток в капиллярах и мелких кровеносных сосудах,
что обусловливает боли и нарушение работы сердца, мозга, мышц и почек. Все эти
симптомы обусловлены единственной однонуклеотидной заменой в гене, которая
приводит к замене одной из 146 аминокислот в молекуле белка β-глобина, наглядно
показывая взаимосвязь между генотипом и фенотипом.
РЕЗЮМЕ
Центральная догма молекулярной биологии объясняет, как гены контролируют феноти-
пы. Она гласит, что ДНК служит матрицей для РНК, которая направляет синтез белков.
1.4. Развитие технологии рекомбинантных ДНК стало
основой для клонирования ДНК
Эра рекомбинантных ДНК началась в первой половине 1970-х годов и связана с
открытием рестриктаз. Эти ферменты используются в бактериальных клетках для
разрезания вирусной ДНК и подходят для рестрикции любой ДНК в специфичных
сайтах нуклеотидной последовательности. В результате рестрикции образуется воспроизводимый
набор специфичных фрагментов ДНК.
Вскоре после этого нашли способы внедрения таких рестрикционных фрагментов
в молекулы ДНК, названные векторами, для получения рекомбинантных ДНК. В процессе
деления бактерий образуются тысячи копий, или клонов, т.е. фрагментов ДНК,
клонированной в вектор, которые можно затем выделить из хозяйских клеток. Эти
фрагменты используют для идентификации генов, изучения их структуры и функций,
нуклеотидной последовательности и эволюции.
Коллекции клонов, представляющие геномы организмов, – это все ДНК в составе
полных гаплоидных наборов хромосом, называемые геномными библиотеками. В настоящее
время доступны геномные библиотеки сотен видов.
Технология рекомбинантных ДНК не только ускорила исследования, но и привела
к созданию биотехнологической промышленности, которая вносит огромный вклад
в экономику США.
1.5. Значение биотехнологии постоянно возрастает
Использование методов рекомбинантных ДНК и других молекулярных подходов способствовало появлению биотехнологии. В США биотехнология преобразила многие
стороны повседневной жизни; в магазинах доступны полученные с помощью биотехнологии
продукты, они применяются в здравоохранении, сельском хозяйстве, судебной
системе. В гл. 19 эти аспекты биотехнологии обсуждаются более подробно, здесь мы
остановимся на некоторых примерах использования биотехнологических разработок.
Растения, животные и обеспечение продуктами питания
Применение рекомбинантных ДНК для получения генетически модифицированных
культурных растений стало революцией в сельском хозяйстве. В растения стали вносить
гены устойчивости к гербицидам, инсектицидам, а также повышающие питательную
ценность (табл. 1.1). Передача наследуемых признаков видам с помощью рекомбинантных
ДНК привела к созданию трансгенных организмов.
В США произрастает около 20 различных сортов трансгенных культурных расте ний,
и более 75 таких сортов, проходят полевые испытания. Первыми в середине 1990-х
годов на полях появились устойчивые к гербицидам сорта кукурузы и сои, которые
занимают сейчас 85% и 95% посевных площадей, соответственно. Известно, что более
75% продуктов питания, производимых в США, содержат компоненты трансгенных
растений.
Критики внедрения трансформированных растений утверждают, что использование
устойчивых к гербицидам культурных растений не исключает переноса этого, а также
других признаков в дикорастущие виды, что грозит необратимыми изменениями в
экосистемах.
Новые методы клонирования овец и коров изменили представление о
традиционном использовании домашних животных. В 1996 г. была клонирована
овца Долли (рис. 1.11). (Для клонирования Долли ученые Рослинского института
в Шотландии (г. Эдинбург) использовали эмбриональные и фибробластоподобные
клетки соединительной ткани плода, а также клетки молочной железы, полученные
от шестилетней овцы породы финн дорсет на последнем триместре беременности.
Деление клеток всех трех типов останавливали на определенной стадии, и клеточные
ядра пересаживали в безъядерные яйцеклетки реципиентной овцы. Долли развилась
из реконструированной яйцеклетки и фенотипически не отличалась от овец этой
породы, но сильно отличалась от овцы-реципиента. Она родилась 5 июля 1996 г., ее
потомки – шестеро ягнят, впоследствии Долли заболела артритом и раком легких, ее
усыпили в начале 2003 г. После овцы были клонированы и другие виды млекопитающих:
корова, мышь, свинья, собака. Серьезнейшие разногласия связаны с возможностью
применения данной технологии к человеку, во многих странах введен запрет
на подобные эксперименты. – Прим. перев.) Для этого ядро дифференцированной
клетки перенесли в яйцеклетку, из которой было удалено ее собственное ядро. Этот
метод позволил производить десятки и сотни потомков животного с желаемыми
признаками. Клонирование путем переноса ядра диплоидной клетки может
использоваться в сельском хозяйстве, спорте и медицине.
Биотехнология повляла на продукцию человеческих белков для медицинских
целей. Нужные для лечения белки можно теперь получать с помощью пересадки
соответствующих генов в клетки животных. Так, в 2009 г. из молока трансгенных коз
был получен белок, препятствующий свертыванию крови, который был одобрен
Федеральным департаментом США по продовольствию и медикаментам (FDA). Другие
человеческие белки, продуцируемые в клетках трансгенных животных, используются
в клинической практике для лечения некоторых заболеваний, включая эмфизему
легких. Биотехнологическая революция продолжается, появляются все новые методы
и разнообразные продукты.
Биотехнология в генетике и медицине
В США от различных генетических заболеваний страдает более 10 миллионов взрослых
и детей. Каждая супружеская пара в ожидании ребенка сталкивается с примерно
3%-ным риском проявления у новорожденного генетической аномалии. Уже известны
молекулярные основы сотен генетических заболеваний (рис. 1.12), а многие из ассоциированых с патологиями генов идентифицированы и клонированы. Основанное на
биотехнологических подходах генетическое тестирование стало доступным для пренатальной
диагностики наследственных заболеваний, для тестирования родителей и
определения возможного носительства генов предрасположенности к более чем 100
таких болезней. Новые методы сканирования всего генома позволяют установить
индивидуальный риск развития генетического заболевания и рождения больного
ребенка. Использование генетического тестирования и смежных с ним технологий
создает определенные этические проблемы, которые предстоит решать.
РЕЗЮМЕ
Биотехнология преобразила сельское хозяйство и фармацевтическую промышлен-
ность, в то время как генетическое тестирование внесло значительный вклад в диа-
гностику наследственных заболеваний.
1.6. Геномика, протеомика и биоинформатика – новые
быстро развивающиеся дисциплины
Использование технологии рекомбинантных ДНК для создания геномных библиотек
побудило ученых к секвенированию всех клонированных последовательностей, чтобы
получить полноразмерный геном. Это позволило бы идентифицировать любой из генов
и определить генные функции.
Один из таких проектов по секвенированию человеческого генома – Геном человека
– стартовал в 1990 г. и объединил усилия исследователей из разных стран. К 2003 г.
секвенирование кодирующей части генома было завершено как публичным проектом,
так и проектом, финансируемым частными фирмами.
По мере расшифровки новых последовательностей возникло несколько биологических
дисциплин. Так называемая геномика (изучение геномов) исследует структуру,
функции и эволюцию генов и геномов. Протеомика идентифицирует набор белков, представленных в клетке в определенных условиях, изучает функции этих белков и
межмолекулярные взаимодействия. Для хранения, извлечения и анализа массивов
данных, полученных геномикой и протеомикой, существуют информационные технологии,
называемые биоинформатикой. Они позволяют развивать программное и
системное обеспечение для обработки данных о нуклеотидных и аминокислотных
последовательностях.
Для решения экспериментальных задач за минуты, а не месяцы или годы современные
генетики и другие специалисты пользуются базами данных, которые содержат
информацию о последовательностях нуклеиновых кислот, белков и о генах. Раздел
«Исследовательская геномика», помещенный в конце многих глав этой книги, дает
возможность самостоятельно поработать с этими базами данных при выполнении
интерактивных упражений.
РЕЗЮМЕ
Технология рекомбинантных ДНК способствовала развитию новых дисциплин, включая
геномику, протеомику и биоинформатику, которые позволяют исследовать структуру
и эволюцию геномов, а также кодируемых ими белков.
1.7. В генетических исследованиях используются
модельные организмы
Повторное открытие законов Менделя в 1900 г. при работе с разнообразными организмами
подтвердило основные принципы наследования и их универсальность для
растений и животных. Постепенно генетики сосредоточились на небольшом количестве
модельных организмов, включая фруктовую муху (Drosophila melanogaster) и
мышь (Mus musculus) (рис. 1.13). Для этого было две причины: во-первых, выяснилась
общность генетических механизмов для большинства видов, во-вторых, эти модельные
организмы оказались очень удобными для генетических исследований. Их легко разводить,
жизненный цикл у них достаточно короткий, при этом они очень плодовиты,
а генетический анализ этих организмов несложен. Со временем был создан огромный
каталог мутантных линий этих организмов, а сами мутации досконально изучены,
охарактеризованы и картированы. Эти виды стали модельными организмами и активно
используются для исследования основных биологических процессов. В дальнейшем
мы увидим, как исследование модельных организмов проясняет многие вопросы биологии,
включая механизмы старения, опухолевого роста, работы иммунной системы
и поведения.
Модельные организмы в современной генетике
Постепенно генетики расширили список модельных организмов, включив в него
вирусы, например, Т-фагов и фаг лямбда, и микроорганизмы – бактерию Escherichia
coli и дрожжи Saccharomyces cerevisae (рис. 1.14).
Позже к этим видам присоединили другие организмы, три из них показаны на
фотографии в начале этой главы. Исследование каждого из таких видов позволяет
решать проблемы эмбрионального развития. На примере круглого червя Caenorhabditis
elegans исследуются развитие и функции нервной системы, поскольку нервная система
этой нематоды содержит лишь несколько сотен нервных клеток, судьбу которых, а
также и всех других клеток тела, можно проследить. Небольшое растеньице Arabidopsis
thaliana с коротким жизненном циклом стало моделью для изучения многих проблем
биологии растений. Полосатая рыбка Danio rerio используется для исследования развития
позвоночных, поскольку эти рыбки малы, быстро размножаются, а их икринки и личинки прозрачны.
Модельные организмы и болезни человека
Технология рекомбинантных ДНК и последующее секвенирование генома подтвердили
общность происхождения всего живого. Отсюда следует, что сходные по функции гены
разных организмов близки или идентичны по структуре и нуклеотидным последовательностям.
Поэтому большинство вопросов, изучаемых генетиками на модельных
организмах, помогают понять причины развития заболеваний у человека. Созданию
моделей человеческих болезней, например рака толстой кишки, способствовали трансгенные
организмы, включая бактерии, грибы, растения и животных, полученных путем
межвидового переноса генов (табл. 1.2.).
Идея исследования рака толстой кишки с помощью E. сoli может показаться странной.
Однако основные этапы репарации ДНК (дефектные при некоторых формах
рака), а также вовлеченные в них гены у кишечной палочки и человека совпадают:
например, гены mutL у E.coli и MLH1 у человека. Еще важнее то обстоятельство, что
бактериальные клетки делятся очень быстро, каждые 20 минут. Поэтому ученые могут
легко моделировать и изучать мутации гена mutL для выяснения его функций. Эти
знания способствовали созданию лекарственных препаратов и развитию методов
лечения рака толстой кишки у человека.
Фруктовая муха D. melanogaster также используется для изучения заболеваний
человека. У дрозофилы обнаружены мутации генов, обусловливающие аномалии
нервной системы, включая структуру мозга и дегенеративные изменения нервной
системы у взрослых насекомых. Геномное секвенирование показало, что почти все
эти гены имеются у человека. Например, человеческие гены, отвечающие за сложное
заболевание сетчатки глаза – пигментный ретинит – идентичны генам Drosophila,
вовлеченным в дегенеративные изменения сетчатки. Изучение мутаций этих генов у
мух позволяет проанализировать сложное заболевание человека для идентификации
функций вовлеченных в него генов.
Другой подход при исследовании заболеваний нервной системы человека состоит
в в переносе человеческих генов в клетки дрозофилы с помощью рекомбинантных
ДНК. Трансгенные мухи служат для изучения мутаций в человеческих генах, ассоциированных
с заболеванием, а также в генах, которые нарушают их экспрессию.
Кроме того, на этой модели можно исследовать действие лекарственных препаратов
на экспрессию генов – все, что трудно или невозможно изучать у человека
напрямую. Подход с переносом генов активно используется для изучения многих
нейродегенеративных заболеваний человека, включая болезнь Гентингтона, болезнь
Мачадо–Джозефа, миотоническую дистрофию и болезнь Альцгеймера.
Читая эту главу, вы много раз столкнулись с упоминанием модельных организмов
и успели хорошо с ними познакомиться. Действительно, у всех из них не только
богатая история участия в научных исследованиях по генетике. Они внесли большой
вклад в исследования генетических и инфекционных заболеваний человека. Однако
пока не достигнуто полное понимание того, как и когда можно использовать трансгенные
модели с соблюдением всех норм безопасности и этики.
РЕЗЮМЕ
Изучение модельных организмов позволяет понять причины заболеваний и основы
здоровья человека. Это направление генетики и биотехнологии быстро меняет нашу
повседневную жизнь.
1.8. Мы живем в эру генетики
В своей работе, представленной научной общественности на собрании Общества
естественной истории в Брно (Моравия) в 1865 г., Мендель описал результаты десятилетнего
изучения наследования признаков у гороха. Спустя почти 100 лет, в 1962 г.
Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии
за работы по расшифровке структуры ДНК. Этот промежуток времени вместил
подтвержедние законов Менделя, открытие генов на хромосомах, экспериментальное
доказательство роли ДНК в кодировании генетической информации, создание молекулярной
основы для анализа репликации ДНК. Быстрое развитие генетики от опытов
Менделя в монастырском саду до проекта Геном человека отражено на рис. 1.15.
Нобелевские премии в области генетики
Ни в одной из научных дисциплин открытия не вызывали такого информационного
взрыва и столько волнения, как в генетике. О научном вкладе генетики можно судить
по списку лауреатов Нобелевской премии, начиная с двадцатого века и кончая
современностью (см. начало книги). Нобелевские премии в области физиологии и
медицины, а также химии регулярно вручаются генетикам и ученым из смежных с
ней наук. Первая из таких премий была вручена Томасу Моргану в 1933 г. за создание хромосомной теории наследственности. Затем последовало множество работ, включая
открытие генетической рекомбинации, анализ взаимоотношений между генами
и белками, изучение структуры ДНК, открытие генетического кода. В наступившем
столетии вклад генетиков в биологию был отмечен Нобелевскими премиями 2002, 2006
и 2007 г. В 2009 г. Нобелевскую премию по медицине и физиологии получили Элизабет
Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак за открытие структуры и функций теломер
на концах эукариотических хромосом. В 2010 г. эту премию получил Роберт Эдвардс
за разработку оплодотворения in vitro, а в 2009 – Венкатраман Рамакришнан, Томас
Стейц и Ада Йонат за исследование структуры и функций рибосом. (В 2011 г. лауреатами
Нобелевской премии за работы по изучению активации врожденного иммунитета
стали Жюль Хоффман, Брюс Бётлер, Ральф Стайман; в 2012 г. – Джон Гёрдон и Синья
Яманака – за работы в области биологии развития и получение индуцированных
стволовых клеток; в 2013 г. – Джеймс Ротман, Рэнди Г. Шекман и Томас Зюдхоф – за
открытие механизмов регуляции везикулярного транспорта. – Прим. перев.)
Генетика и общество
Генетические исследования и их влияние на общество никогда еще не были столь
значимыми, как в настоящее время. Биотехнологические приложения генетики развиваются
намного быстрее, чем социальные конвенции, общественная политика
и правовые нормы, регулирующие их применение на практике. Обеспокоенность
общественности вызывает пренатальное тестирование, генетическая дискриминация,
владение генами (ДНК), доступность и безопасность генотерапии и генетическая
конфиденциальность. По мере прочтения этой книги появится достаточно доводов в
пользу того, что мы живем в Эру генетики, а это обязывает нас участвовать в диалоге
между наукой и практикой.
РЕЗЮМЕ
Генетические технологии оказывают огромное влияние на общество, а научные раз-
работки опережают политические и правовые нормы, регулирующие их применение.
ГЕНЕТИКА, ТЕХНОЛОГИЯ И ОБЩЕСТВО
Научные и этические последствия достижений современной генетики
В конце многих глав этой книги читатель может найти раздел, посвященный взаимоотношениям генетики, технологии и общества. В этих разделах обсуждаются вопросы, связанные с вкладом генетики в повседневную жизнь человека и общества в целом.
Современная генетика затрагивает все аспекты жизни, резко изменяет медицину,
сельское хозяйство, биотехнологию, фармацевтическую промышленность и судопроизводство
и право. Врачи пользуются сотнями генетических тестов для диагностики и прогноза
болезней, а также для выявления внутриутробных генетических нарушений. На
основании результатов анализа ДНК ученые исследуют эволюцию видов, включая человека.
В сельском хозяйстве выращиваются устойчивые к заболеваниям и засухе сорта
культурных растений и более продуктивные породы животных, полученные путем переноса
генов. Правоохранительные органы используют ДНК-профили для установления
отцовства, при расследовании изнасилований и убийств. Биотехнология позволила
создать более 700 000 рабочих мест с ежегодной прибылью $ 50 биллионов, удваивая эти
показатели каждое десятилетие. Быстрое развитие генетических технологий
вызвало изменение этических норм. Кто должен владеть генетической информацией и контролировать ее потоки? Насколько генномодифицированные сельскохозяйственные
растения и животные безопасны для человека и окружающей среды? Можно ли быть уверенным в широкой доступности геномных технологий не только для состоятельных людей? Каковы возможные социальные последствия внедрения новых репродуктивных технологий? Пришло время, когда для принятия решений в личной или общественной жизни
любому человеку необходимы знания в области генетики.
Каждый раздел «Генетика, технология и общество» представлен в интерактивной
форме. В разделе «Ваше мнение» можно найти несколько вопросов для размышления со ссылками на информационные ресурсы, помогающие найти ответы. Вопросы построены таким образом, чтобы стать отправной точкой для индивидуального исследования, а также изучения темы в аудитории или в группе студентов.
Мы надеемся, что раздел «Генетика, технология и общество» окажется интересным и будет стимулировать дальнейшее изучение
проблем современной генетики. Полезного чтения!
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ГЕНОМИКА
ИНТЕРНЕТ-ресурсы для изучения геномики, протемионики и биоинформатики
Область изучения: исследовательская генетика
В книге представлен также специальный раздел «Исследовательская геномика».
Геномика – это одна из наиболее быстро ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ГЕНОМИКА
развивающихся дисциплин генетики. Новая информация накапливается в этой области
с поразительной быстротой. С учетом темпов развития геномики, протеомики,
биоинформатики и других «омик» изучение современной генетики представляет действительно сложную задачу! Поэтому генетики, молекулярные биологи и другие специалисты для обобщения и сравнения новых данных пользуются электронными базами.
Цель разделов «Исследовательская геномика», помещенных в конце многих глав,
познакомить читателей с такими базами данных в интернете, которыми пользуются
ученые всего мира для сбора, анализа, организации, сравнения и хранения результатов
исследований по геномике, протеомике и смежным областям науки. Мы научимся пользоваться этим невероятным ресурсом новой информации и сравним самые лучшие
из доступных в мире ресурсов; будем использовать биоинформационные методы для
анализа данных о последовательностях и их структуре, имеющихся в этих базах. В упражнениях к этому разделу подобраны соответствующие базы данных или программы,
которые используются в науке. Это позволяет расширить и закрепить полученные знания. Упражнения учат ориентироваться в базах данных, но не обязательно ограничиваться
этими заданиями. Весьма занимательно исследовать эти базы данных самостоятельно,
чтобы научиться получать самую свежую информацию по любому интересующему вас
вопросу. Приятных изысканий!
СЛУЧАЙ
ИЗ ПРАКТИКИ
Основы генетики вне аудитории
Для того чтобы полученные знания по генетике применялись в повседневной жизни, в
каждой из глав книги, начиная со второй, кратко рассматривается случай из практики
и соответствующие вопросы. Каждый из примеров акцентирует внимание на одном из
принципов генетики, описанном в данной главе, и демонстрирует применение этого
принципа в жизни. В их число входят такие вопросы, как генетическое тестирование и
диагностика, репродуктивные возможности и более широкие проблемы общественного
здоровья, использования и ограничений генетических технологий, а также примеры,
иллюстрирующие единство и разнообразие живых организмов.
Многие из практических примеров и сопутствующие им вопросы могут использоваться
для обсуждения во время учебных занятий, для групповых проектов, в отчетах
и презентациях. Эти ресурсы помогут в обучении и в приложении полученных знаний
на практике.
Учебный сайт для самостоятельной работы, анимации и вопросов:
www.masteringgenetics.com
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ1.
Расскажите о выводах Менделя, касающихся передачи признаков из поколения в поколение.
2. В чем суть хромосомной теории наследственности и как она связана с открытиями Менделя?
3. Дайте определение генотипа и фенотипа, как они взаимосвязаны?
4. Что такое аллели? Всегда ли гены имеют два аллеля?
5. Расскажите об уровне генетики во время экспериментов Эвери, МакЛеода и МакКарти.
Почему некоторые ученые с трудом воспринимали ДНК в качестве носителя генетической
информации?
6. Сравните хромосомы и гены.
7. Каким образом закодирована генетическая информация в молекуле ДНК?
8. Какова центральная догма молекулярной генетики, и почему она положена в основу современной
генетики?
9. Сколько различных белковых молекул с уникальной последовательностью аминокислотных
остатков можно построить из пяти аминокислот?
10. Расскажите о роли рестриктаз и векторов при клонировании ДНК.
11. Какова роль биотехнологии в селекции злаковых культур в США?
12. Приведите аргументы за и против патентования генетически модифицированных организмов.
13. В геноме человека около 20 000 генов. К настоящему времени патенты могут быть получены на 6000 генов. Возможно ли получение такого числа патентов компаниями или отдельными людьми? Аргументируйте свой ответ.
14. Как использование модельных организмов расширяет наши знания о генах, контролирующих
заболевания человека?
15. Допустим, что ваша семья отягощена наследственным заболеванием с поздним проявлением
в фенотипе и вы можете пройти тестирование в двадцатилетнем возрасте. Хотелось бы вам
знать о своем носительстве наследственной патологии? Изменилась бы в этом случае ваша
жизнь по достижении 40 лет?
16. Почему за открытия в генетике так часто вручаются Нобелевские премии?
Глава 2
МИТОЗ И МЕЙОЗ
Содержание главы
Генетическая непрерывность поколений клеток при бесполом и половом размножении
организмов поддерживается посредством митоза и мейоза, соответственно.
_ В диплоидных эукариотических клетках генетическая информация содержится
в парах гомологичных хромосом: один гомолог получен от материнской клетки,
второй – от отцовской.
_ Благодаря митозу при размножении клеток хромосомы удваиваются и поровну
расходятся в дочерние клетки.
_ В процессе мейоза каждая гамета или спора получает по одной из пары гомологов
и диплоидное число хромосом уменьшается до гаплоидного.
_ В результате мейоза при распределении гомологов возникают различные комбинации
материнских и отцовских хромосом в гаметах и спорах.
_ Именно на стадиях митоза и мейоза генетический материал конденсируется в
виде дискретных структур, называемых хромосомами.
Все живые организмы содержат наследственный материал в виде ДНК или РНК (как у
некоторых вирусов), который организован в гены, а гены – в хромосомы. Существуют
очень точные механизмы передачи хромосом от клетки к дочерним клеткам и от одного
поколения организмов другому поколению. В этой главе мы рассмотрим, как поддерживается
генетическая преемственность между клетками и целыми организмами.
Для поддержания такой генетической непрерывности у эукариот существуют два
процесса: митоз и мейоз. Механизмы этих двух процессов довольно сходны, однако
результаты – различны. В результате митоза образуются две дочерние клетки с одинаковыми
наборами хромосом, идентичными родительскому. В результате мейоза
каждая дочерняя клетка получает половину хромосом родительской клетки, это необходимо
для полового размножения. Строго говоря, митоз – это часть клеточного
цикла, когда хромосомы поровну расходятся в дочерние клетки. Мейоз – специальное
деление клеток с образованием половых клеток: гамет и спор – важный этап в передаче
генетической информации от родителей потомству. Как правило, во время митоза и
мейоза в клетке видны хромосомы, в другие моменты жизни клеток хромосомы представлены
хроматином, то есть деконденсированы и выглядят в виде рыхлой диффузной
сети. Сначала мы вкратце познакомимся с клеточной структурой, а затем рассмотрим
поведение хромосом во время делений клетки.
2.1. Структура клетки тесно связана с генетической
функцией
До 1940 г. клеточную структуру можно было исследовать только под световым микроскопом.
В 1940 г. появились простейшие, а к 1960 г. – более совершенные электронные
микроскопы, позволяющие изучать ультраструктуру клеток. Были обнаружены многочисленные
клеточные мембраны, органеллы, микротрубочки, гранулы и филаменты.
На рис. 2.1 показана структура типичной животной клетки.
Содержимое клеток окружено плазматической мембраной, которая ограничивает
клетку от окружающей среды. Мембрана активно контролирует поступление веществ
в клетки и их вывод из клеток. Растительные клетки покрыты поверх мембраны клеточной
стенкой, состоящей, в основном, из целлюлозы.
Большинство, если не все, животные клетки обладают плазматической мембраной,
называемой гликокаликс, или клеточная оболочка, которая состоит из гликопротеинов
и полисахаридов, отличающихся по своей структуре от компонентов растительных и
бактериальных клеток. Известно, например, что на поверхности красных кровяных
клеток – эритроцитов, а также на клетках других типов обнаруживаются различные
клеточные маркеры: антигены АВО, АВ, Rh и MN. Другие клетки несут на своей
поверхности антигены гистосовместимости, обусловливающие иммунный ответ на
чужеродные ткани или органы при их трансплантации. На поверхности клеток находятся
и многие рецепторы, которые распознают определенные молекулы, проходящие
через мембрану клетки.
В зависимости от наличия в клетках ядра живые организмы подразделяют на две
большие группы. В эукариотических клетках содержатся ядро и другие клеточные
компоненты, окруженные мембраной. В ядре содержится ДНК, представленная в
виде длинных нитей, состоящих из дезоксирибонуклеиновой кислоты и основных
белков. Диспергированные раскрученные фибриллы в интерфазном ядре называются
хроматином, в процессе клеточного деления они конденсируются в хромосомы. В ядре
находится одно или несколько ядрышек – аморфных структур, где синтезируется рибосомная
РНК (рРНК) и происходит сборка рибосом. Районы хромосом, кодирующие
рРНК, называются ядрышковыми организаторами (ЯОР). В клетках прокариот ядро и окруженные мембранами органеллы отсутствуют. У бактерий и, в частности, у кишечной
палочки Еscherichia сoli молекула ДНК занимает довольно большую область клетки, называемую нуклеоидом, при этом часть молекулы ДНК может быть окружена мембраной. ДНК в составе нуклеоида слабо спирализована и не образует структур типа эукариотических
хромосом, митоз у прокариот также отсутствует. Процесс деления бактериальной
клетки и нуклеоиды показаны на рис. 2.2. Итак, прокариотические клетки
не содержат ядра, но в ДНК прокариот имеются гены, кодирующие рРНК.
В цитоплазме эукариотической клетки находятся клеточные органеллы. Сама цитоплазма
представляет собой коллоидный раствор – цитозоль, окружающий органеллы
и пронизанный целой системой микротрубочек, которые образуют цитоскелет. Эта
структура, состоящая, в основном, из тубулиновых микротрубочек и актиновых микрофиламентов, поддерживает форму клеток, способствует ее подвижности и служит
внутриклеточным матриксом.
Цитоплазму разделяют на отдельные отсеки – компартменты – сеть внутриклеточных
мембран, или эндоплазматический ретикулум (ЭР). Гладкий ЭР служит для синтеза жирных кислот и фосфолипидов, а шероховатый ЭР покрыт рибосомами,
участвующими в синтезе белков.
Как животные, так и растительные клетки содержат митохондрии, необходимые
для дыхания и метаболизма клеток. В результате протекающих здесь химических реакций
образуются богатые энергией молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). В клетках
большинства растений, водорослей и некоторых простейших имеются хлоропласты, в
которых происходят реакции фотосинтеза. В митохондриях и хлоропластах содержатся
кольцевые молекулы ДНК, несколько отличающиеся от ядерной ДНК и напоминающие
генетический аппарат прокариот. В митохондриях и хлоропластах существует
собственный аппарат транскрипции и трансляции генов мтДНК и хлДНК. Помимо
сходства генетического аппарата между органеллами и прокариотами имеются и другие
общие черты, указывающие на их происхождение от организмов, некогда живших в
симбиозе с простейшими эукариотическими клетками. Такое эволюционное происхождение
данных органелл допускается с принятием гипотезы эндосимбионтов.
В клетках животных и некоторых растений содержатся парные центриоли. Они
находятся в центромерах и участвуют в организации веретена деления в митозе и
мейозе. У ряда организмов центриоли происходят из базального тельца, участвующего
в формировании ресничек и жгутиков. Долгое время считалось, что центриоли и
базальное тельце содержат ДНК, вовлеченную в репликацию этих структур, однако
эти предположения не подтвердились.
Веретено деления образуется при участии центриолей на ранних стадиях митоза и
мейоза и состоит из микротрубочек, которые прикрепляются к центромерным участкам
хромосом и играют важную роль в их расхождении в процессе деления клетки.
Микротрубочки построены из полимерного белка тубулина.
РЕЗЮМЕ
Большинство клеточных компонентов прямо или косвенно вовлечено в генетические
процессы.
2.2. Гомологичные хромосомы, гаплоидия
и диплоидия
Хромосомы хорошо видны во время митоза, когда они принимают определенную
форму и имеют соответствующую длину. На каждой хромосоме виден более плотный
конденсированный участок – центромера. От положения центромеры в различных
точках по длине хромосом зависит общий вид хромосомы (рис. 2.3). По обе стороны от
центромеры находятся хромосомные плечи. Как показано на рис. 2.3, хромосомы могут
быть метацентрическими, субметацентрическими, акроцентрическими и телоцентрическими.
Короткое плечо хромосомы принято обозначать буквой р (от фр. «petite» – маленький),
а длинное плечо – буквой q (следующая по алфавиту буква после «р»).
При исследовании митоза нужны и другие характеристики хромосом. Во-первых,
большинство соматических клеток содержит диплоидное число хромосом (2n). Вовторых,
практически все хромосомы представлены парами с характерной длиной
и положением центромеры. Члены каждой такой пары называются гомологичными
хромосомами. Но в этих правилах есть исключения.
У большинства бактерий и вирусов имеется всего одна хромосома, а у дрожжей,
плесневых грибов и некоторых растений, к примеру, мхов, преобладает гаплоидная фаза жизненного цикла. Другими словами, на протяжении почти всей жизни их клетки
содержат только по одной хромосоме из пары гомологов.
На рис. 2.4 показан внешний вид гомологичных хромосом человека. Если сфотографировать
хромосомный набор и затем разложить его на пары гомологичных хромосом, то получится кариотип. У человека 2n = 46, и каждая из 46-ти хромосом состоит из
двух хроматид, соединенных в районе центромеры. В мейозе сестринские хроматиды
каждой хромосомы расходятся в дочерние клетки с гаплоидным (n) набором хромосом.
Совокупность генов, входящих в гаплоидный набор хромосом, называется геномом.
Геном содержит копии всех генов и большое количество некодирующей ДНК.
В табл. 2.1 представлен широкий спектр генотипов различных животных и растений.
Гомологичные хромосомы содержат одинаковые гены в определенных участках
хромосом, называемых локусами, то есть они генетически идентичны. У организмов,
размножающихся половым путем, одна из гомологичных хромосом происходит от
матери (из яйцеклетки), а другая – от отца (из сперматозоида). Поэтому диплоидный
организм содержит две копии каждого гена, полученных от двух родителей. Каждая
из копий гена обусловливает одинаковые признаки или другие свойства организма.
В популяции, состоящей из особей одного вида, имеются различные альтернативные
формы одного гена, называемые аллелями.
В процессе мейоза во время формирования гамет или спор из диплоидных клеток
образуются клетки с гаплоидным набором хромосом. Таким образом, гаметы или споры
содержат по одной из пары гомологичных хромосом. При оплодотворении происходит
слияние двух гамет, и у зиготы восстанавливается диплоидный набор хромосом,
состоящий из двух гаплоидных наборов, по одному набору от каждого родителя. Это
постоянство поддерживается из поколения в поколение.
Однако у многих видов имеются так называемые половые хромосомы, которые обычно
не имеют гомологичной по размеру и конфигурации парной хромосомы. У человека,
например, женский пол несет две гомологичных Х-хромосомы, а мужской – одну Y- и
одну Х-хромосому (рис. 2.4). Половые хромосомы человека не вполне гомологичны
друг другу: Y-хромосома значительно мельче Х-хромосомы и не содержит ряда генов,
локализованных в Х-хромосоме. Но в процессе мейоза эти хромосомы ведут себя как
гомологи, поэтому мужские гаметы содержат либо Х-, либо Y-хромосому.
РЕЗЮМЕ
У диплоидных организмов хромосомы представлены парами гомологов, одинаковых
по размеру, положению центромеры и набору генов. Одна из гомологичных
хромосом имеет материнское, а другая – отцовское происхождение.
2.3. Митоз и деление клетки
Митоз, как часть клеточного цикла, лежит в основе бесполого размножения у одноклеточных
простейших, некоторых грибов и водорослей. Жизнь многоклеточного
организма начинается с одной оплодотворенной яйцеклетки – зиготы, деление которой
обеспечивает рост и развитие такого организма. Активные митотические деления наблюдаются
и при замещении клеток в какой-либо ткани, например, при залечивании
ран или при замене отмирающих клеток эпидермиса. Благодаря митозу, у позвоночных
происходит постоянное пополнение красных кровяных клеток – эритроцитов, которые
образуются из ретикулоцитов (нестареющие красные кровяные клетки). Эритроциты
утрачивают в процессе клеточной дифференцировки свое ядро. В аномальных случаях
наблюдается неконтролируемое деление соматических клеток и развивается опухоль.
В процессе митоза между дочерними клетками распределяется и наследственный
материал клетки, то есть происходит кариокинез, требующий большой точности в
репликации и делении хромосом. В результате формируются две дочерние клетки с
хромосомным набором, идентичным родительскому.
Вслед за кариокинезом происходит деление цитоплазмы, или цитокинез, когда
содержимое клетки делится пополам, и новые клетки покрываются мембраной.
Цитоплазматические органеллы также реплицируются или синтезируются de novo (заново),
распределяясь в дочерние клетки примерно поровну. В результате по размеру дочерние
клетки приблизительно вдвое меньше родительской, однако имеют такое же ядро.
Если измерить количество ДНК в ядре новой клетки, то оно в точности соответствует
количеству ДНК в родительской клетке до ее репликации.
Интерфаза и клеточный цикл
Жизненный цикл многих клеток представляет собой постоянное чередование фаз деления
и покоя. События, происходящие в период после окончания одного деления клетки
до начала другого деления, – это клеточный цикл (рис. 2.5). Сначала рассмотрим период
между делениями клетки, называемый интерфазой. Раньше считалось, что в интерфазе
происходят лишь рост и функционирование клетки. Однако оказалось, что в интерфазе
наблюдается очень важная подготовка к митозу, а именно: репликация ДНК в составе
хромосом. Период синтеза ДНК получил название S-фазы (от англ. synthesis). Начало
и конец синтеза ДНК можно проследить по включению радиоактивно меченых предшественников ДНК (в частности, аденозинтрифосфата) в ядро клетки.
Интерфаза включает два периода интенсивного метаболизма, роста и дифференцировки,
как и в S-фазе, но без репликации ДНК. Эти фазы обозначены G1 (gap I) и
G2 (gap II) (от англ. gap – промежуток, интервал). К концу фазы G2 объем клетки и
ее хромосомы удваиваются, начинается митоз (М). После деления клеточный цикл
вновь повторяется: G1, S, G2, М (рис. 2.5).
Наблюдения за клетками, растущими в культуре (in vitro), показали, что клеточный
цикл занимает около 16-ти часов, причем на митоз приходится всего около часа. Продолжительность S-фазы и периода G2 зависит от типа клеток, и наиболее вариабельной
является длительность фазы G1. На рис. 2.6 показана относительная длина этих
интервалов в типичной клетке.
Фаза G1 представляет наибольший интерес, поскольку во второй половине этой
фазы клетка либо вступает на путь пролиферации, и в ней начинается синтез ДНК, либо попадает в фазу покоя G0 (см. рис. 2.5). В клетках в фазе покоя происходят все
обменные процессы, но они не делятся. Есть клетки, например раковые, которые или
вовсе не вступают в фазу покоя, или проходят ее очень быстро, другие клетки могут
постоянно пребывать в фазе G0, не вступая в митоз. Однако при стимуляции покоящихся
клеток они могут вступать в новый клеточный цикл.
В интерфазном ядре не видно хромосом – оно заполнено диффузным хроматином
(рис. 2.7 (а)). После завершения фаз G1, S и G2 начинается митоз – динамичный процесс,
в котором выделяют несколько стадий: профазу, прометафазу, метафазу, анафазу
и телофазу. Цитологические фотографии этих стадий представлены на рис. 2.8.
Профаза
В стадии профазы, которая занимает более половины митоза, происходит несколько
важных событий (рис. 2.7 (b)). В животной клетке на стадии ранней профазы наблюдается
расхождение двух пар центриолей из области центромеры, расположенной
близко к клеточному ядру, к разным полюсам клетки. Эти структуры, называемые
центросомами, обнаружены на поверхности ядерной оболочки, в области дифференцированной цитоплазмы. Считается, что каждая пара центриолей состоит из одной
зрелой и одной более мелкой дочерней центриоли.
Центириоли1 мигрируют к противоположным полюсам клетки и отвечают за организацию
цитоплазматических микротрубочек, формирующих веретено деления между
полюсами клетки, – ось, вдоль которой и расходятся к этим полюсам хромосомы.
Интересно, что в клетках подавляющего большинства растений (за редким исключением),
грибов и многих водорослей центриолей не обнаружено, хотя в митозе веретено
деления у них образуется.
По мере движения центриолей к полюсам клетки ядерная оболочка и ядрышки
исчезают, а диффузный хроматин конденсируется, формируя отдельные хромосомы.
К концу профазы каждая из хромосом представлена двумя хроматидами, соединенными
между собой в области центромеры. Хроматиды появились в результате репликации
ДНК в составе хромосом, поэтому сестринские хроматиды идентичны друг другу.
Сестринские хроматиды удерживает вместе когезин – белковый комплекс, состоящий
из множества субъединиц. Этот комплекс формируется между хроматидами в S-фазе
клеточного цикла после репликации ДНК. Хотя хроматиды в интерфазе и невидимы,
поскольку хроматин деспирализован и диспергирован в ядре, они уже удвоены
и разойдутся в поздней профазе. На цитологических препаратах поздней профазы в
клетках человека с 2n = 46 видно, что удвоенные длинные хромосомы располагаются
в центре клетки случайным образом.
Прометафаза и метафаза
Начало движения хромосом к разным полюсам клетки наблюдается в прометафазе, а в
метафазе хромосомы располагаются по экватору клетки, как показано на рис. 2.7 (с).
Видно, что хромосомы сосредоточены посередине клетки, перпендикулярно к микротрубочкам
веретена деления, в виде так называемой метафазной пластинки.
Миграция хромосом к полюсам клетки происходит благодаря тому, что микротрубочки
веретена прикрепляются к особым структурам центромер – кинетохорам на
каждой из сестринских хроматид. Кинетохор представляет собой пластинку, которая
состоит из множества белковых слоев и прикрепляется к микротрубочкам веретена.
Прикрепившиеся к микротрубочкам веретена молекулы когезина деградируют под
воздействием фермента сепаразы, и сестринские хроматиды разъединяются, кроме
прицентромерной области. В центромерном районе когезин защищен от гидролиза
специальным белком шугошином (от японск. хранитель духа), который рекрутируется
прицентромерным гетерохроматином. Вовлеченность белковых комплексов когезина
и шугошина в структуру сестринских хроматид схематически изображена на рис. 2.8.
К концу метафазы все хромосомы расположены случайным образом по экватору
клетки и прикреплены к нитям веретена (рис. 2.7 (d)).
РЕШИМ ЗАДАЧУ
2.1. Это новая рубрика содержит примеры задач, сходных с задачами и вопросами в конце
каждой главы и отражающих изложенный в них материал. В рубрике дается комментарий к
данной задаче и аналитическая подсказка для ее решения. Вот первая задача:
Диплоидное число хромосом у организма равно 16. Сколько хроматид мы увидим в конце
профазы митоза?
Подсказка. Для решения этой задачи важно понять, что происходит с гомологичными хромосомами в митозе, и применить эти знания к поведению хромосом в данном случае. Важно, что в митозе гомологичные хромосомы не спарены и расходятся независимо друг от друга.
Анафаза
Анафаза – самый короткий период мейоза, во время которого сестринские хроматиды
каждой из хромосом расходятся к полюсам делящейся клетки. Сначала хромосомы
разделяются в области центромеры и в виде дочерних хромосом, прикрепленных в
области центромеры к микротрубочкам веретена, мигрируют к полюсам. Как показали
недавние исследования, такое движение возможно благодаря особым белкам
веретена, так называемым моторным пептидам, которые используют энергию расщепления
молекул АТФ. При движении хромосом центромеры движутся к полюсам
клетки, увлекая за собой хромосомные плечи, при этом отчетливо видна морфология
хромосом (рис. 2.3).
Благодаря точному расхождению хромосом к полюсам клетки каждая из дочерних
клеток получает одинаковый набор, например, 46 хромосом у человека. Цитологическая
картина поздней анафазы видна на рис. 2.7 (е).
Телофаза
Конечная стадия митоза – телофаза – показана на рис. 2.7 (f). В начале телофазы на
полюсах делящейся клетки видны два диплоидных набора хромосом. Затем наступает
цитокинез – деление цитоплазмы на две равные части – будущие дочерние клетки.
После этого в растительных клетках по ее экватору (на месте метафазной пластинки)
формируется клеточная стенка. В животных клетках также образуется тонкая перемычка
по центру клетки, а затем формируются две дочерние клетки.
В зависимости от типа клеток и организма процесс цитокинеза протекает поразному.
Растительные клетки, имеющие более четкую форму и относительно жесткую
структуру, окружены поверх клеточной мембраны клеточной стенкой. Заложенная во
время телофазы клеточная стенка становится срединной пластинкой. Поэтому с обеих
сторон цитоплазматической перемычки между дочерними клетками находятся первичный
и вторичный слои клеточной стенки, которые располагаются между клеточной
мембраной и срединной пластинкой. Мембрана животной родительской клетки,
полностью разделившейся на дочерние, формирует на месте цитоплазматической
перетяжки клеточный желобок.
В поздней телофазе наблюдается переход новых клеток в интерфазу. Эти события
в обратном порядке повторяют события профазы. В каждой новой клетке происходит
деспирализация хромосом, и хроматин вновь становится диффузным, ядро покрывается
оболочкой, и формируются ядрышки. Микротрубочки веретена деградируют и
исчезают из поля зрения, после чего клетка вступает в интерфазу.
Регуляция клеточного цикла и сверочные точки
Клеточный цикл (рис. 2.5) во всех эукариотических клетках протекает примерно одинаково.
Это сходство говорит о генетической регуляции клеточного цикла и проливает
свет на эволюцию живых организмов. Известно, что нарушение такой регуляции
приводит к неконтролируемому росту клеток, характерному для опухолей. Поэтому
интерес к этой проблеме очень высок.
Обширные исследования последних 20 лет позволили обнаружить множество генов,
контролирующих клеточный цикл. За эту работу Ли Хартвел, Пол Нюрсе и Тим Хант
были удостоены в 2001 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине. Как и другие
исследования генетического контроля над важнейшими биологическими процессами,
эта работа сосредоточена на прерывающих клеточный цикл мутациях и их эффектах.
Сейчас известно множество мутаций, влияющих на прохождение той или иной
стадии клеточного цикла. Первая мутация, влияющая на клеточный цикл, была обнаружена
у дрожжей. Сейчас такие cdc-мутации (cell division cycle mutations) найдены у
всех организмов, включая человека. Оказалось, что на протяжении клеточного цикла
существует, по меньшей мере, три « контрольно-пропускных пункта» ( сверочные точки),
которые существенны для перехода клетки из одной стадии в следующую.
Продукты большинства генов, контролирующих клеточный цикл, относятся к ферментам
класса киназ, или к cdc-киназам, которые катализируют присоединение фосфатных
групп к молекулам белков. Эти ферменты фосфорилируют белки циклины и влияют на
активность таких белков в ключевых точках клеточного цикла. Комплекс cdc-киназы
и циклина называется Cdk-белком (от англ. сycline–dependent kinase protein).
Анализ cdc-мутаций показал, что клеточный цикл включает не менее трех сверочных
точек, или чекпойнтов для мониторинга событий при нормальном митозе и для
«сверки» с помощью контрольных молекул перед вступлением в следующую стадию
цикла. Значение контроля за прохождением клеточного цикла и роль сверочных точек
детально обсуждаются в гл. 16, там же говорится также о нарушении регуляторной
системы клетки и его последствиях. Представим, например, что ДНК в клетке была
повреждена, что привело к мутациям, нарушающим контроль клеточного цикла. Если
бы такие клетки продолжали делиться, то процесс деления стал бы неконтролируемым,
как это характерно для опухолевых клеток. Если же в одной из сверочных точек
происходит арест клеточного цикла, то поврежденная клетка легко устраняется из популяции
делящихся клеток, предотвращая возможное злокачественное перерождение.
РЕЗЮМЕ
Митоз подразделяется на несколько отдельных стадий и начинается с конденсации
хроматина в диплоидное число хромосом, каждая из которых состоит из пары
сестринских хроматид. В процессе митоза сестринские хроматиды независимо друг от
друга направляются к противоположным полюсам клетки. После деления цитоплазмы
(цитокинеза) формируются две новые клетки, несущие генетическую информацию,
идентичную родительской.
2.4. В результате мейоза формируются гаплоидные
гаметы и споры, а также повышается генетическая
изменчивость видов
В отличие от митоза, в процессе мейоза количество генетического материала в дочерних
клетках уменьшается вдвое. Если в результате митоза образуются дочерние
клетки с диплоидным набором хромосом, то гаметы или споры несут лишь половину
этого набора. При половом размножении происходит слияние половых клеток и восстановление диплоидности, характерной для родительской клетки и всего организма.
Гаплоидные гаметы или споры несут строго определенный набор хромосом – по
одному гомологу от каждой пары, поддерживая генетическую непрерывность вида из
поколения в поколение.
Мейоз способствует генетической изменчивости внутри вида. Такая изменчивость
осуществляется в двух формах. Во-первых, в результате мейоза образуются гаметы,
несущие различные комбинации родительских генов. Как указывалось в главе 3, в
основе этого процесса лежат постулаты Менделя о расщеплении и независимом
комбинировании аллелей. Второй источник изменчивости – процесс обмена участками гомологичных хромосом во время конъюгации в профазе I мейоза, называемый кроссинговером, до того как та или другая из хромосом попадет в гаплоидную гамету или спору. Это также повышает генетическую изменчивость потомства, которая возникает при слиянии гамет, несущих хромосомы с рекомбинациями. Поэтому перегруппировка генетического материала при половом размножении приводит к появлению потомства, которое в результате генетической рекомбинации довольно сильно отличается от своих родителей. Мейоз: профаза I. Аналогично митозу, мейоз в диплоидной клетке начинается с удвоения генетического материала в интерфазе, предшествующего делению хромосом. Результаты мейоза достигаются, в основном, благодаря поведению хромосом на начальной стадии первого деления мейоза, называемой профазой I. Вспомним, что в процессе
митотического деления клетки все пары материнских и отцовских хромосом расходятся
независимо друг от друга. При этом каждая хромосома удваивается и затем в дочерние клетки попадает по одной из сестринских хроматид. Однако в мейозе между конденсированными еще в интерфазе парами гомологичных хромосом возникает
синапсис, как это показано на рис. 2.9. Каждая пара таких гомологов в ранней профазе
называется бивалентом, их число в клетке соответствует гаплоидному числу хромосом.
Хромосомы в составе бивалента продолжают конденсироваться, укорачиваются и превращаются в тетрады. Гомологи в тетрадах, состоящие из двух сестринских хроматид,
соединены друг с другом только в центромерной области. Напомним, что одна пара сестринских хроматид получена от материнской клетки, а другая – от отцовской. Наличие
тетрад служит доказательством дупликации обоих гомологичных хромосом. В профазе
начинается расхождение каждой пары сестринских хроматид, однако в нескольких
точках они перекрещиваются, образуя хиазмы. Считается, что хиазмы – точки обмена
генетической информацией в результате кроссинговера между несестринскими хроматидами
материнского и отцовского происхождения. Поскольку кроссинговер происходит
неоднократно, на ранних стадиях мейоза возникают мозаичные хромосомы. В конце
профазы I оболочки ядра и ядрышка растворяются, и две центромеры гомологов в тетраде
прикрепляются к веретену деления.
Метафаза, анафаза и телофаза I
Эти фазы мейоза изображены на рис. 2.10. В метафазе первого деления ( метафаза I)
мейоза хромосомы максимально укорочены, а биваленты в составе тетрад еще связаны
терминальными хиазмами. Тетрады располагаются по экватору клетки случайным
образом, образуя метафазную пластинку. При этом половина бивалентов отходит к
одному полюсу клетки, а половина гомологичных бивалентов – к другому.
В процессе первого деления мейоза сестринские хроматиды остаются соединенными
в области центромеры. На стадии анафазы I половина тетрады – диада – движется
к одному из полюсов клетки, то есть наблюдается расщепление хромосом. Иногда
из-за ошибок мейоза этого не происходит, а наблюдается нерасхождение гомологов.
К концу анафазы на каждом из двух полюсов клетки располагается гаплоидное число
хромосом (диад). В отсутствие кроссинговера каждая из диад представлена удвоенной
хромосомой материнского или отцовского происхождения. Если кроссинговер состоялся,
то на полюсах клетки находятся мозаичные хромосомы, одновременно несущие
некоторые гены отца и матери.
Во многих дочерних клетках ядерная мембрана формируется во время телофазы I –
она окружает хромосомы и сохраняется в течение непродолжительной интерфазы.
Иногда клетки тотчас же переходят ко второму делению мейоза, и ядерная оболочка
не формируется. В интерфазе после телофазы I не происходит репликации ДНК,
поскольку хромосомы уже состоят из двух хроматид. Как правило, телофаза первого
деления мейоза гораздо короче телофазы митоза.
Второе деление мейоза
В результате второго деления мейоза ( мейоз II) формируются гаплоидные гаметы и
споры, несущие только одну хроматиду из исходной тетрады. Стадии, характеризующие
мейоз II, показаны в нижней части рис. 2.10. Во время профазы II диады, состоящие из
двух сестринских хроматид, прикрепляются в области центромеры к нитям веретена.
В метафазе II они располагаются по экватору клетки в виде метафазной пластинки.
В начале анафазы II сестринские хроматиды начинают движение к противоположным
полюсам клетки, а на стадии телофазы II на каждом из полюсов видно по паре
гомологов, называемых монадами. В конце этой стадии происходит цитокинез, и образуются
четыре гаплоидные гаметы. Таким образом, в результате мейоза появляются
клетки с гаплоидным набором хромосом, которые вследствие кроссинговера несут
рекомбинантные хромосомы. Поэтому потомки от слияния таких гамет получают
«смесь» генов, носителями которых были их прародители. Итак, в результате мейоза
уровень генетической изменчивости в каждом последующем поколении значительно
повышается.
РЕЗЮМЕ
В процессе мейоза диплоидная клетка превращается в гаплоидные гаметы или
споры, участвующие в половом размножении. В результате дупликации хромосом с
последующими двумя делениями мейоза в каждой гаплоидной клетке содержится по
одной из пары гомологичных хромосом.
РЕШИМ ЗАДАЧУ
2.2. В первичном овоците 2n = 16 (а). Сколько тетрад образуется в профазе I? (б). Сколько
диад присутствует в профазе II? (с). Сколько монад движется к противоположным полюсам
клетки в анафазе II?
Подсказка. Вспомните, как ведут себя в мейозе гомологичные хромосомы материнского
и отцовского происхождения, и представьте, что таких пар 16. Для решения задачи нужно
также вспомнить, что эти пары гомологов образуют синапсис, формируя на ранних стадиях
мейоза тетрады, которые в анафазе I расходятся в виде отдельных диад.
2.5. Сперматогенез и овогенез
Несмотря на сходство процессов гаметогенеза в животных клетках, формирование
мужских гамет (сперматогенез) несколько отличается от формирования женских гамет
(овогенеза). На рис. 2.11 схематически показаны оба этих процесса.
Сперматогенез происходит в репродуктивных органах самцов – семенниках. Сначала
наблюдается быстрый рост недифференцированных диплоидных зародышевых клеток,
называемых сперматогониями. В результате образуются первичные сперматоциты,
которые вступают в первое деление мейоза. Образующиеся вторичные сперматоциты содержат гаплоидный набор хромосом (диады). Вторичные сперматоциты вступают
во второе деление мейоза, образуя гаплоидные сперматиды. Эти клетки созревают в
процессе сперматогенеза, превращаясь в гаплоидные сперматозоиды, или клетки спермы,
содержащие очень мало цитоплазмы.
Сперматогенез у взрослых самцов может занимать продолжительное время или
протекать периодически, в зависимости от репродуктивного цикла. У животных,
размножающихся круглый год, сперматогенез происходит непрерывно, а у животных
с сезонным размножением сперматогенез приурочен именно к этим периодам
жизненного цикла.
Формирование яйцеклеток, или овогенез, протекает в репродуктивных органах
самок – яичниках. В результате двух делений мейоза образуются дочерние клетки,
несущие гаплоидные наборы хромосом, но не одинаковые по размеру. В процессе
каждого деления почти вся цитоплазма первичного овоцита попадает в одну из двух
дочерних клеток. Это очень важно для функционирования яйцеклетки, в которой
после оплодотворения развивается зародыш.
Во время анафазы первого деления мейоза тетрады овоцита первого порядка расходятся
к полюсам с образованием двух одинаковых групп диад, однако цитоплазма
делится между дочерними клетками не поровну: на одном из полюсов она лишь
окружает ядро, формируя первое полярное тельце. Вторая дочерняя клетка называется
овоцитом второго порядка. Первое полярное тельце может разделиться еще раз, образуя
две мелких гаплоидных клетки, или остается в фазе покоя. Зрелая яйцеклетка
формируется из овоцита второго порядка в результате второго деления мейоза, когда его
цитоплазма вновь делится не поровну, образуя овотиду и вторичное полярное тельце.
Овотида затем созревает с образованием яйцеклетки.
Овогенез не является беспрерывным процессом. У некоторых животных два деления
мейоза следуют один за другим. У других организмов, в том числе у человека,
первое деление мейоза происходит еще у зародыша женского пола в эмбриональных
яичниках, и клетки долгое время находятся на стадии профазы I. Спустя годы, эти
клетки вступают в мейоз непосредственно перед овуляцией, и второе деление мейоза
завершается только после оплодотворения яйцеклетки.
РЕЗЮМЕ
Мейоз у мужских и женских организмов существенно различается. При сперматогенезе
объем цитоплазмы равномерно распределяется в гаплоидные сперматозоиды.
В результате овогенеза образуется гаплоидная яйцеклетка, содержащая цитоплазму
в гораздо большем объеме, чем три направительных тельца.
РЕШИМ ЗАДАЧУ
2.3. Изучите схему овогенеза в животной клетке на рис. 2.11. Всегда ли генотип второго направительного тельца, сформированного после второго деления мейоза, идентичен генотипу овотиды и почему?
Подсказка. Для решения этой задачи вспомните процесс овогенеза и образование направительных телец. Также надо иметь ввиду, что кроссинговер между парами гомологичных хромосом происходит в первом делении мейоза.
2.6. Мейоз имеет решающее значение для полового
размножения всех диплоидных организмов
Процесс мейоза лежит в основе полового размножения, поскольку приводит к гаплоидному
числу хромосом в гаметах.
У диплоидных организмов генетическая информация хранится в парных гомологичных
хромосомах, причем один гомолог происходит от матери, а другой – от отца.
В результате мейоза гаплоидные гаметы содержат как материнские, так и отцовские
хромосомы. Благодаря кроссинговеру между этими гомологами в профазе I мейоза
генетическая изменчивость гамет становится более высокой.
Особенно важную роль играет мейоз в жизненном цикле грибов и растений.
У многих грибов преобладающей фазой жизненного цикла считаются вегетативные
гаплоидные клетки, которые размножаются путем митоза. У многоклеточных растений
чередуются диплоидная стадия спорофита и гаплоидная стадия гаметофита (рис. 2.13).
У разных систематических групп растений преобладает та или иная стадия, а мейоз
с последующим оплодотворением яйцеклетки служит «мостом», соединяющим поколения
спорофитов и гаметофитов.
РЕЗЮМЕ
Широкая генетическая изменчивость возникает благодаря обмену между материнскими
и отцовскими хроматидами при кроссинговере и их случайному распределению в
гаметы в процессе мейоза. Кроме того, мейоз играет большую роль в жизненных циклах
грибов и растений, соединяя альтернативные поколения.
2.7. Цитологическая структура митотических
и мейотических хромосом, выявляемая
под электронным микроскопом
В этой главе мы сосредоточились на поведении хромосом во время митоза и мейоза
при делении клеток и формировании гамет. Длительное время оставалось непонятным,
почему в интерфазе хромосомы не видны как дискретные образования и отчетливо
различаются на разных стадиях митоза и мейоза. На этот вопрос ответили исследования
хромосом под электронным микроскопом.
Во время интерфазы в ядре присутствует только диффузный хроматин (рис. 2.13
(а)). С наступлением митоза хроматин быстро конденсируется с образованием относительно
коротких и плотных митотических хромосом (рис. 2.13 (b)). Если нити
хроматина образуют петли типа ламповых щеток, то митотическая хромосома этого
типа напоминает хромосому в интерфазе (рис. 2.13 (с)). В митотической хромосоме
фактически не видно концов хроматиновых нитей, они попарно закручены и образуют
характерный рисунок митотической хромосомы. Начиная с поздней телофазы и в
ходе стадии G1 интерфазы хромосомы вновь деконденсируются, формируя длинные
нити хроматина (ДНК и ассоциированных с ней гистонов). Деконденсация хроматина
способствует наиболее эффективной транскрипции и репликации ДНК.
В результате обширного электронно-микроскопического исследования митотических
хромосом Эрнст Дю Про предложил складчато-фибриллярную модель хромосом
(рис. 2.13 (с)). Согласно этой модели метафазная хромосома состоит из двух сестринских
хроматид, соединенных в области центромеры. Каждое плечо хроматиды состоит
из одной нити, напоминающей длинный моток пряжи и состоящей из плотно
скрученной ДНК и белков. При переходе от интерфазы к профазе, например, за счет
спирализации ДНК, хромосома сокращается в 5000 раз. Этот процесс должен быть особенно
точным в случае высокоорганизованной и целостной структуры митотических
хромосом у всех эукариот. В гл. 11 мы остановимся на строении хромосом подробнее.
РЕЗЮМЕ
Митотические хромосомы видны только при делении клетки и формируются в результате
скручивания и конденсации нитей хроматина в интерфазе.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ГЕНОМИКА
PubMed: поиск и хранение биомедицинской литературы
Область изучения: исследовательская генетика
В век быстро растущих объемов информации по геномике и биомедицинским
наукам ученые должны освоить множество электронных баз данных. Эти ресурсы обеспечивают доступ к последовательностям ДНК и белков, к данным по геномам, хромосомным картам, к профилям экспрессии генов, полученным на микрочипах, к структурам
молекул и к биоинформационным методам, которые позволяют манипулировать
этими данными. Пожалуй, центральным в PubMed является ресурс, обеспечивающий
поиск и доступ к биомедицинским публикациям.
PubMed – это поисковая система в Интернете, разработанная Национальным центром биотехнологической информации (NCBI) при Национальной медицинской
библиотеке. PubMed обеспечивает доступ к более чем 15 млн статей и к более чем 4600
медицинским журналам. Содержание многих журналов в электронном виде доступно
в библиотеках колледжей и университетов. Некоторые журналы, например, Proceedings
of the National Academy of Sciences USA; Genоme Biology; Science, на определенный
срок предоставляют свободный доступ к статьям.
Попробуем использовать PubMed для
ответа на вопросы о взаимосвязи тубулина, рака и противораковой терапии, а также вопросы
по генетике сперматогенеза.
Упражнение 1 – тубулин, рак и митоз
В этой главе вы познакомились с тубулином и с поведением микротрубочек в процессе деления клеток. Для опухолевых клеток характерны постоянные
и неконтролируемые митозы.
Вносят ли тубулин и микротрубочки свой
вклад в развитие рака, и могут ли эти важные клеточные структуры быть мишенями для
противораковой терапии?
1. Для поиска ответов зайдем на сайт
PubMed: www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/
entrez?db=pubmed.
2. В окне SEARCH наберем ключевые слова
«tubulin cancer», а затем нажмем «Go» для
поиска
3. Выберем несколько статей из списка литературы
и прочитаем резюме.
Для ответа на вопрос об ассоциации тубулина
с раком можно ограничиться обзорными
статьями. Чтобы их найти,
1) вверху страницы выберем графу «Limits»,
2) прокрутим страницу вниз и выберем
строку «Review» в списке «Type of Article»,
3) для продолжения поиска нажмем «Go».
Найдите в библиотеке или в открытом доступе электронного ресурса несколько
статей по теме и прочтите резюме или весь текст. Приготовьте тематическое сообщение
и поделитесь информацией с сокурсниками во время занятий.
Опишите основные результаты, которые удалось найти в статьях, и укажите источники
литературы, с которыми вы поработали в процессе поиска.
Упражнение II – нарушения сперматогенеза у человека
Пользуясь методикой предыдущего
упражнения, определите несколько заболеваний, связанных с дефектным сперматогенезом. Какие гены у человека вовлечены в сперматогенез? Каким образом генные нарушения отражаются на фертильности?
Приготовьте краткий письменный или устный доклад по теме и укажите источники литературы, которыми вы пользовались.
СЛУЧАЙ
ИЗ ПРАКТИКИ
Все по расписанию
Двадцатилетний пациент с болезнью Ходжкина каждые 2 месяца проходил химиолучевую
терапию. После безуспешных попыток зачать ребенка он обратился в клинику
для анализа своей спермы, и в клетках были обнаружены множественные нарушения.
Анализ в течение первых пяти дней терапии выявил частое присутствие добавочных
хромосом или же полное отсутствие одной и более хромосом в кариотипе этого пациента.
Однако на 38-й день лечения и позже никаких нарушений обнаружено не было.
1. Как можно объяснить зависимость хромосомных нарушений от времени с точки
зрения генетика?
2. Какие клетки, на ваш взгляд, более уязвимы при химиолучевой терапии: сперматогоний
или вторичный сперматоцит?
3. Что можно посоветовать мужчине, проходящему курс лечения, относительно его
фертильности?
Примеры решения задач
Этот раздел в конце главы очень важен для студентов и предшествует разделу «Задачи и вопросы для обсуждения». Он содержит примеры задач и соответствующие решения, полезные для генетического анализа. Работа над примерами поможет в решении задач, представленных в последующих главах книги.1.
Опишите расположение хромосом в метафазной пластинке в клетке с 2n = 6 во время (а)
митоза, (b) мейоза I и (с) мейоза II.
Ответ: (а) Во время митоза в метафазной пластинке наблюдается 6 пар хромосом, каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид, (b) в мейозе I наблюдается синапсис между гомологичными хромосомами, поэтому видны три пары хромосом, или тетрады, состоящие из двух гомологов и двух пар хроматид, (с) в мейозе II видны три хромосомы – диады, каждая из которых состоит из пары сестринских хроматид. В результате кроссинговера впрофазе I мейоза часть хроматид может нести гены несестринской хроматиды, полученные при обмене гомологичными участками.
2. Игнорируя кроссинговер, нарисуйте все возможные конфигурации двух хромосом,
показанных на рис. 2-12, на стадии метафазы мейоза I.
Ответ: При n = 2 возможны четыре конфигурации, показанные на рисунке вверху следующей страницы.
3. Допустим, что две крупные хромосомы (см. предыдущий пример) несут два аллеля А и а
одного гена, а пара малых хромосом – два аллеля В и b другого гена. Какова вероятность
появления после первого деления мейоза аллельных комбинаций AB, Ab, aB, ab?
Решение: Как показано на рисунке вверху следующей страницы, возможны следующие
комбинации
Случай I AB и ab
Случай II Ab и aB
Случай III aB и Ab
Случай IV ab и AB
AB = 2 (p = 1/4)
Ab = 2 (p = 1/4)
aB = 2 (p = 1/4)
ab = 2 (p = 1/4)
Задачу №3 можно решить, используя решетку Пеннета 2 × 2 (прим. перев.).
4. Опишите структуру тетрад в профазе I мейоза в отсутствие кроссинговера. Что произойдет
с этой структурой в результате одного события кроссинговера?
Ответ: Каждая из тетрад состоит из двух хромосом и двух пар хроматид, соединенных в области центромеры. Одна из хромосом происходит от матери, другая – от отца, и они состоят из несестринских хроматид. В результате кроссинговера происходит обмен гомологичными
участками несестринских хроматид, наблюдается их перекрест, и в тетраде видна хиазма.
Учебный сайт для самостоятельной работы, анимации и вопросов:
www.masteringgenetics.com
Задачи и вопросы для обсуждения
Знаете ли вы?1.
Основное внимание в этой главе было уделено распределению хромосом при делении
соматических клеток (митоз) и половых клеток (мейоз с образованием гамет и спор). Мы
познакомились с различными методами и привели аргументы в пользу изложенной в главе
информации. Опираясь на этот материал, ответьте на следующие фундаментальные вопросы:
(a) Как узнали, что хромосомы представлены гомологичными парами?
(b) Как стало известно, что ДНК реплицируется в интерфазе, а не на ранних стадиях митоза?
(c) Как выяснилось, что митотические хромосомы построены из хроматина?
2. Какова роль следующих компонентов клетки: хроматина (a), ядрышек (b), рибосом (c),
митохондрий (d), центриолей (e) и центромеры (f) в хранении, экспрессии и передаче
генетической информации?
3. Какие хромосомы называются гомологичными? Что понимается под диплоидностью и
гаплоидностью? Что общего между двумя гомологичными хромосомами?
4. Допустим, две хромосомы имеют одинаковую морфологию, то есть одну длину и одинаковое
положение центромеры. Какие еще критерии необходимы для их гомологии?
5. Какие события характерны для каждой из стадий митоза?
6. Какова классификация хромосом по положению центромеры?
7. Сравните стадию телофазы в животной и растительной клетках.
8. Опишите фазы клеточного цикла и характерные для каждой фазы события.
9. Сравните результаты митоза и мейоза.
10. Дайте определение следующим терминам: синапсис (a), биваленты (b), хиазмы (c),
кроссинговер (d), сестринские хроматиды (e), тетрады (f), диады (g), монады (h).
11. Сравните генетический состав и происхождение сестринских и несестринских хроматид в
ранней профазе первого деления мейоза. Как может измениться их генетический состав к
моменту формирования тетрад в метафазной пластинке?
12. Как заканчиваются два типа деления клеток? Почему спаривание гомологов необходимо
во время мейоза и нежелательно – во время митоза?
13. Сравните процессы сперматогенеза и овогенеза. Какова роль полярных телец?
14. Объясните, почему в отличие от митоза мейоз приводит к существенной генетической
изменчивости?
15. Диплоидная клетка содержит три пары гомологичных хромосом: С1 С2, М1 М2 и S1 S2.
Каковы возможные комбинации этих хромосом в отсутствие кроссинговера (а) в двух
дочерних клетках после митоза, (b) в метафазе I мейоза, (с) в гаплоидных клетках после
делений мейоза?
16. Решите задачу, приведенную в предыдущем пункте, для клетки, содержащей еще одну пару
хромосом W1 и W2 (помимо C, M и S).
17. У животного обнаружили 50 первичных овоцитов на разных стадиях овогенеза. Сколько
будет сформировано вторичных овоцитов и первичных полярных телец? Если у животного
обнаружено 50 первичных сперматоцитов на разных стадиях сперматогенеза, то сколько
будет сформировано вторичных сперматоцитов и сперматид?
18. Какова вероятность, что в сперматозоидах организма с n = 10 все 10 хромосом будут иметь
центромеры от хромосом материнского происхождения?
19. Опишите события, характерные для профазы I мейоза.
20. Охарактеризуйте роль мейоза в жизненном цикле растений.
21. Сравните нити хроматина и метафазные хромосомы. Как связаны между собой эти
структуры?
22. Опишите складчато-фибриллярную модель митотических хромосом.
23. Опишите, насколько возможно, кариотип неизвестного организма, включающий
12 хромосом. Две из них значительно короче остальных хромосом, имеющих примерно
одинаковые размеры и морфологию.
В задачах 24–29 рассматривается диплоидная клетка с тремя парами хромосом АА, ВВ и СС, каждая из которых представлена гомологами материнского и отцовского происхождения (Аm, Ap и т.д.). Используя эти обозначения, нарисуйте хромосомные комбинации в митозе и мейозе. Не забудьте указать, когда хроматиды спариваются в результате удвоения и/или синапса. Вы можете нарисовать схемы на листе темной оберточной бумаги или на картонной папке вместе с другими студентами, чтобы сообща найти правильное решение задач.
24. Каковы комбинации хроматид в метафазе митоза? Какие комбинации будут представлены
на каждом из полюсов клетки в конце анафазы?
25. Какие комбинации хроматид будут представлены в конце профазы первого деления мейоза в отсутствие кроссинговера? Нарисуйте возможные позиции хроматид в начале их миграции к полюсам клетки в ранней анафазе I мейоза.
26. Отличаются ли позиции в задаче 25 от положения хроматид в профазе II мейоза? Если да,
то нарисуйте соответствующую схему.
27. Нарисуйте всевозможные позиции хроматид в анафазе II мейоза.
28. Допустим, что в первом делении мейоза гомологи пары С не разошлись, а разделились на
диады во втором делении. Нарисуйте эти изменения на схемах анафазы I и анафазы II мейоза.
29. Допустим, что каждая из гамет (см. задачу 28) соединяется с нормальной гаплоидной гаметой.
Каковы комбинации хромосом в зиготах? Каков процент зигот с диплоидным набором,
включающим одну отцовскую и одну материнскую хромосомы каждой пары гомологов?
30. У Drosophila melanogaster масса ядерной ДНК в одном сперматозоиде составляет 0,18 пг.
Какова масса ядерной ДНК в первичном сперматоците дрозофилы? Каковы массы ДНК в
диплоидной соматической клетке в фазе G1 и в метафазе?
Глава 3
МЕНДЕЛЕВСКАЯ ГЕНЕТИКА
Содержание главы
Наследственные признаки контролируются дискретными факторами, или генами, которые
находятся в хромосомах и передаются из поколения в поколение согласно законам,
открытым Грегором Менделем. Результаты скрещиваний у растений и животных подчиняются
этим законам и подвержены случайным отклонениям, которые можно оценить
статистически. Наследование признаков у человека принято изучать по родословным.
_ Информация, обусловливающая наследственность, хранится в дискретных
единицах, называемых генами.
_ Гены передаются из поколения в поколение с помощью хромосом.
_ Хромосомы представлены парами, по одной от каждого из родителей.
_ При формировании гамет хромосомы распределяются согласно постулатам,
которые в XIX веке впервые сформулировал Грегор Мендель на основании своих
опытов с горохом.
В 1866 г. Грегор Иоганн Мендель
в результате опытов с горохом
выдвинул основные постулаты
трансмиссионной генетики
_ Согласно постулатам Менделя при формировании гамет гомологичные хромосомы
расходятся и распределяются независимо от других пар гомологичных хромосом.
_ Генетические пропорции статистически оцениваются как вероятности с
отклонениями.
О том, что многие признаки передаются по наследству, догадывались уже тысячи лет
тому назад. Однако лишь в 1866 году в «Известиях общества естественной истории»
появились результаты экспериментов, заложивших основы генетики. Грегор Иоганн
Мендель – монах августинского монастыря из австрийского городка Брюнне (нынешний
Брно в Чехии) открыл фундаментальные законы наследственности, но его работа
осталась незамеченной вплоть до начала следующего века, когда появилось понятие
гена. В это время прояснились пути передачи генов, входящих в состав хромосом, от
родителей к их потомкам. Начиная с 1900-х г., генетические исследования находились
на переднем фронте биологической науки, а в последнее время перешли на качественно
новый молекулярный уровень.
Сначала Мендель изучал наследуемость отдельных признаков у гороха (Pisum
sativum). В то время еще ничего не знали о хромосомах, о роли и о механизме мейоза.
Для объяснения результатов скрещиваний он постулировал существование единиц наследственности
и законы их распределения в потомстве. В дальнейшем цитологические
наблюдения за хромосомами подтвердили менделевские принципы наследования, а
сами законы легли в основу так называемой менделевской, или трансмиссионной генетики.
Остановимся на этих законах подробнее.
3.1. При исследовании закономерностейнаследования признаков Мендель использовал
экспериментальную модель
Иоганн Мендель родился в 1822 г. в крестьянской семье, жившей в австрийской деревушке
Хайнцендорф. Он с отличием закончил высшую школу по курсу философии,
по окончании которой поступил в августинский монастырь Св. Фомы и стал монахом
по имени Грегор. В 1849 г. он начал преподавательскую деятельность, а с 1851 по 1853 г.
изучал физику и ботанику в Венском университете. В 1854 г. Мендель вернулся в Брно,
где в течение 16-ти лет преподавал физику и естественные науки, получая финансовую
поддержку своим научным исследованиям со стороны монастыря.
В 1856 г. Мендель поставил первые опыты по гибридизации с растениями гороха.
Однако в 1868 г. он был назначен аббатом, поэтому на продолжение экспериментов
времени почти не оставалось. В 1884 г. Грегор Мендель скончался от почечной недостаточности.
Как писала в то время местная газета, его смерть лишила обездоленных
людей источника милосердия и благодеяний, а все общество потеряло великодушного
человека и задушевного друга, покровителя и движителя естественных наук, редкого,
в личностном плане, пастыря.
В 1865 г. Мендель впервые доложил о результатах скрещиваний между отдельными
линиями посевного гороха. Успех в исследовании закономерностей наследования
признаков был, отчасти, обусловлен элегантностью экспериментов и четкостью научного
анализа.
Работа Менделя и по сей день служит превосходным образцом генетического исследования.
Он выбрал растение, которое легко выращивать и опылять искусственным путем.
В природе горох – самоопыляемое растение, но легко поддается перекрестному опылению.
Мендель проследил наследование семи пар хорошо различимых контрастных признаков
(рис. 3.1). К примеру, он выращивал растения с длинным и коротким стеблем. Шесть других
признаков касались формы и окраски семян, формы и окраски бобов, строения бобов и
расположения цветков. У торговцев семенами нашлись линии гороха, в которых каждый
из этих признаков передавался из поколения в поколение без изменений.
Помимо удачного выбора объекта Мендель сравнивал в своих опытах только одну
или несколько пар контрастных признаков. Он аккуратно записывал свои соображения
и вычисления, что особенно важно для генетических исследований. Анализ полученных
результатов позволил Менделю прийти к определенным выводам, которые положены в
основу трансмиссионной генетики. Однако эти результаты получили должную оценку
гораздо позже, уже после его смерти.
После смерти Менделя его законы заново открыли ученые, получившие сходные
результаты: Гуго де Фриз из Голландии, Карл Корренс из Германии и Эрих Чермак
из Австрии. Все они признали приоритет Менделя в открытии законов передачи наследственных
признаков.
3.2. Моногибридное скрещивание показывает,
как передается из поколения в поколение один признак
В простейших экспериментах по скрещиванию растений Мендель исследовал только
одну пару контрастных признаков и назвал такие скрещивания моногибридными. При
3.2. Моногибридное скрещивание
82 Глава 3. Менделевская генетика
этом каждый из родителей имеет один из пары контрастных признаков. Рассмотрим
первое поколение от скрещивания этих растений, а затем – потомство от самоопыления
полученных гибридов первого поколения. Родителей обозначим как Р1 (parental
generation), а их потомство – F1 (first filial generation) и потомство от самоопыления во
втором поколении – F2 (second filial generation). При желании можно продолжать подобные
скрещивания сколь угодно долго.
В результате моногибридного скрещивания растений с длинным и коротким стеблем
Мендель получил F1, состоящее только из высоких растений. После самоопыления растений
первого поколения он обнаружил в потомстве F2, состоящем из 1064 растений,
787 высоких и 277 низких. Итак, признак короткого стебля исчез в первом гибридном
поколении и вновь появился в F2 (рис. 3.1).
Мендель провел множество подобных скрещиваний и получил одинаковые результаты:
в F1 присутствовали только высокие растения (доминантный признак), а во
втором поколении соотношение высоких растений к низким (рецессивный признак)
составило 2,8:1,0, то есть пoчти 3:1.
Анализируя результаты скрещиваний по другим парам контрастных признаков
(рис. 3.1), он получил такую же картину. В F1 были растения только с одним признаком,
а в F2 соотношение численности растений с разными признаками соответствовало
3:1, то есть 3/4 всех растений выглядели как гибриды первого поколения, а 1/4 имели
признак, исчезнувший в F1.
Оказалось, что эти результаты не зависели от того, растения с какими признаками
были источниками пыльцы и яйцеклеток. При опылении низких растений пыльцой
с высоких в реципрокных скрещиваниях в F1 от этих скрещиваний были получены
только высокие растения. Итак, в опытах Менделя по моногибридному скрещиванию
результаты не зависели от пола родителей, несущих контрастные признаки.
Для объяснения этих закономерностей Мендель предположил существование
единиц наследственности, отвечающих за каждый признак. Эти единицы передаются
из поколения в поколение в неизменном виде.
Три первых постулата Менделя
На основании результатов моногибридных скрещиваний Мендель сформулировал три
принципа наследования признаков.
1. ПАРНОСТЬ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ЕДИНИЦ
Наследственные признаки контролируются единицами, представленными у каждого
организма в виде пары факторов.
Так, при моногибридном скрещивании растений с длинным и коротким стеблем
для длинного и короткого стебля существует свой фактор (наследственная единица
по Менделю) или ген. Поэтому у потомства возможны три комбинации этих факторов:
два фактора для длинного стебля, два фактора для короткого стебля, а также один – для
длинного и один – для короткого. Каждое растение имеет одну из этих комбинаций,
определяющих длину стебля.
2. ДОМИНАНТНОСТЬ И РЕЦЕССИВНОСТЬ
Если один организм несет два наследственных фактора, отвечающих за разные контрастные
признаки, то одна единица наследственности доминантная по отношению к
другой – рецессивной.
83
Признак, который проявляется в первом поколении от моногибридного скрещивания,
контролируется доминантной единицей наследственности, а не обнаруживаемый
парный признак – рецессивной. Термины «доминантный» и «рецессивный» используют
и для обозначения соответствующих признаков. В описанном выше случае высокий
стебель – доминантный признак, а низкий – рецессивный. Бывает так, что в первом
поколении проявляются признаки обоих родителей, тогда речь идет о кодоминировании.
3. РАСЩЕПЛЕНИЕ
При образовании гамет парные единицы наследственности расщепляются (сегрегируют)
независимо, так что в каждую из гамет попадает один или другой фактор из этой пары.
Если у растения имеется два одинаковых наследственных фактора (например, детерминирующие
длинный стебель), то все гаметы получат только один фактор. Если
растение несет два разных фактора (детерминирующий длинный стебель и детерминирующий
короткий), то с 50%-ной вероятностью в каждую из гамет попадет либо
один, либо другой фактор из этой пары.
Для иллюстрации этих постулатов рассмотрим моногибридное скрещивание растений
с длинным и коротким стеблем. Мендель предполагал, что взятые для скрещивания
растения с длинным стеблем имеют одинаковые парные единицы наследственности,
аналогично растениям с коротким стеблем. В результате расщепления все гаметы высоких
растений несут одинаковые наследственные единицы, равно как и гаметы низких
растений. После опыления и оплодотворения растения первого поколения получат
по одному фактору от каждого из родителей. Поскольку фактор, ответственный за
длинный стебель, доминирует над фактором короткого стебля, то все потомки первого
поколения будут высокими. В результате случайного распределения этих факторов в
гаметы гибридов первого поколения примерно половина из них получит доминантный
и половина – рецессивный фактор. После самоопыления F1 у растений из F2 получится
четыре комбинации факторов в одинаковых соотношениях:
(1) высокий/высокий;
(2) высокий/низкий;
(3) низкий/высокий;
(4) низкий/низкий.
Согласно принципу доминантности комбинации (2) и (3) несут высокие растения,
комбинацию (1) – также высокие, а комбинацию (4) – низкие. Поэтому во втором
поколении обнаруживаются три четверти высоких и четверть – низких растений в
соотношении 3:1. Аналогичные соотношения выявляются и при скрещиваниях по
другим парам признаков (рис. 3.1).
РЕЗЮМЕ
Постулаты Менделя позволяют описывать передачу фенотипических признаков.
Он предполагал, что существуют парные дискретные факторы, которые образуют
доминантные или рецессивные наследственные единицы, контролирующие выражение
признаков в фенотипе. Позже Мендель постулировал , что при формировании гамет в
каждую из них с равной вероятностью попадает только один из пары факторов.
Современная терминология
На основании результатов моногибридного скрещивания Мендель впервые сформулировал
три постулата. Познакомимся с новыми терминами, которые соответствуют
менделевским наследственным факторам.
Наследственные единицы, или факторы, которые постулировал Мендель, обусловливают
внешние признаки, или фенотип особи. Сами менделевские факторы
получили затем название «гены». Как правило, каждый из признаков, например, рост
растения, детерминирован определенным геном (генами). Альтернативные формы гена
называют аллелями. Например, аллели высокого и низкого роста у гороха – формы
гена, детерминирующего рост растения.
Для обозначения генов генетики используют различные системы символов, о
которых говорится в гл. 4. В этой главе мы будем пользоваться одной из них. Обычно
первая буква рецессивного аллеля пишется строчной, а первая буква доминантного –
заглавной (прописной), например, для менделевских растений гороха аллели d (низкий)
и D (высокий) гена, детерминирующего рост. У диплоидного организма имеется
два аллеля гена, то есть DD, Dd или dd. Когда два аллеля одинаковы, то речь идет о
гомозиготном генотипе (о гомозиготной особи, или гомозиготе): DD или dd. Если аллели
разные (Dd), то говорят о гетерозиготном генотипе, или гетерозиготной по данному гену
особи ( гетерозиготе). Эти термины фигурируют на рис. 3.2 для иллюстрации полного
цикла моногибридного скрещивания.
Во времена Менделя наука еще не знала о существовании генов, тем удивительнее
его гениальные догадки, объясняющие механизм передачи признаков по наследству.
Решетка Пеннета
Результаты случайного сочетания гамет при оплодотворении можно представить
с помощью решетки Пеннета, названной так по имени изобретателя Реджинальда
Пеннета. На рис. 3.3 показаны результаты скрещивания гибридов первого поколения.
В горизонтальной строке сверху указаны генотипы всех возможных гамет самца, а в
вертикальной строке слева – генотипы гамет самки. В решетке записаны генотипы
и фенотипы, полученные в результате различных комбинаций родительских гамет.
Другими словами, в ячейках решетки Пеннета имеются все возможные генотипы и
фенотипы потенциального потомства от данного скрещивания.
Решетка Пеннета особенно полезна при первом знакомстве с генетикой и при обучении
решению задач. На рис. 3.3 показаны соотношения фенотипов 3 : 1 и генотипов
1 : 2 : 1 в потомстве от скрещивания высоких гетерозиготных растений.
Контрольное скрещивание: один признак
Можно предположить, что высокие растения – гибриды первого поколения, либо
гомозиготны (DD), либо гетерозиготны (Dd). Мендель разработал довольно простой
способ определения генотипов – метод контрольных скрещиваний, который и по сей
день используется при гибридизации растений и животных.
Особь с доминантным фенотипом, но неизвестным генотипом, скрещивают с гомозиготой
по рецессивному признаку. Допустим (рис. 3.4 (а)), высокое растение, гомозиготное
по доминантному признаку (DD), гибридизуют в контрольном скрещивании с низким
растениeм, заведомо имеющим генотип dd. Очевидно, что в потомстве от этого скрещивания
все растения будут высокими (Dd). Однако (рис. 3.4 (b)), при скрещивании высоких
гетерозиготных растений (Dd) с низкими гомозиготами по рецессивному признаку (dd)
половина растений в потомстве будет высокой, а половина – низкой. Другими словами,
соотношение высоких и низких растений 1 : 1 говорит о гетерозиготном генотипе
растения, взятого для контрольного скрещивания. Это подтверждает вывод Менделя о
контроле двух признаков независимыми наследственными единицами.
3.3. Менделевское дигибридное скрещивание дает
уникальное соотношение признаков в F2
Мендель расширил схему моногибридного скрещивания, анализируя наследование
двух признаков одновременно. Он назвал такие скрещивания двухфакторными, или
дигибридными. К примеру, скрещивают растения гороха с желтыми гладкими семенами
и растения с зелеными морщинистыми семенами (рис. 3.5). Все гибриды первого поколения
будут с желтыми гладкими горошинами. Из этого следует, что желтый цвет
семян доминирует над зеленым, а гладкость горошин над морщинистостью. После
самоопыления гибридов первого поколения получается примерно 9/16 растений с
желтыми круглыми семенами, 3/16 – с желтыми морщинистыми, 3/16 – с зелеными
гладкими и 1/16 – с зелеными морщинистыми. На рис. 3.5 показан и другой вариант
дигибридного скрещивания, когда скрещиваются растения, гомозиготные по одному
рецессивному и одному доминантному признакам. Результаты скрещивания в первом
и втором поколениях остаются без изменений. Причина такого постоянства будет
очевидна после рассмотрения принципа независимого комбинирования.
Четвертый постулат Менделя: независимое комбинирование
Дигибридное скрещивание можно рассматривать как два независимых моногибридных
скрещивания. Предположим, что два признака наследуются независимо друг от
друга. Иначе говоря, вероятность желтых или зеленых горошин у растения не зависит
от вероятности того, что они гладкие или морщинистые. Теоретически, все гибриды
в первом поколении должны иметь доминантный фенотип, то есть гладкие желтые
горошины. Этот вывод действительно совпадает с результатами скрещивания.
Во втором поколении можно ожидать 3/4 растений с желтыми семенами и 1/4 –
с зелеными. На рис. 3.5 показано, что при дигибридном скрещивании 12/16 растений
во втором поколении имеют желтые горошины, а 4/16 – зеленые, то есть их соотношение
составляет 3 : 1. Кроме того, 12/16 растений имеют гладкие горошины, а
4/16 – морщинистые, здесь сохраняется то же соотношение 3 : 1.
Очевидно, что две пары контрастных признаков наследуются независимо. Частоты
всевозможных фенотипов можно предсказать с помощью правила произведения
вероятностей: если два независимых события происходят одновременно, то вероятность
двух исходов равна произведению вероятностей каждого из них. Так, например, вероятность
того, что растения во втором поколении имеют желтые гладкие семена составит
3/4 × 3/4, то есть 9/16, поскольку 3/4 растений второго поколения имеют желтые и
столько же – гладкие горошины.
Аналогично вычисляются вероятности других фенотипов: желтые (3/4) и морщинистые
(1/4) будут встречаться у 3/16 всех растений, зеленые (1/4) и гладкие (3/4) – у
3/16, зеленые (1/4) и морщинистые (1/4) – у 1/16 (рис. 3.6).
Поэтому очевидно, что соотношения фенотипов в первом и втором поколениях
будут одинаково независимы от комбинации этих признаков у родителей: растения
с желтыми и гладкими семенами скрещиваются с растениями, имеющими зеленые
морщинистые семена, или же растения с желтыми морщинистыми горошинами скрещиваются
с растениями, имеющими зеленые гладкие горошины. В первом поколении
получаются растения, гетерозиготные по каждой из пар признаков (с желтыми гладкими
семенами), а во втором – соотношения фенотипов, указанные выше.
На основании многочисленных дигибридных скрещиваний Мендель сформулировал
постулат о независимом комбинировании: во время образования гамет пары наследственных
факторов расходятся в гаметы независимо друг от друга. В результате каждая
гамета получает по одному из факторов (аллелей) пары, и все возможные генотипы
гамет появляются с одинаковой частотой.
На рис. 3.7 показана решетка Пеннета, иллюстрирующая независимое комбинирование
признаков во втором поколении. Гибриды первого поколения образуют гаметы,
несущие либо аллель G или g, либо аллель W или w, при их случайном сочетании комбинации
GW, Gw, gW и gw встречаются с одинаковой частотой.
При скрещивании гибридов первого поколения каждая зигота с равной вероятностью
получает каждую из этих комбинаций родительских аллелей. Таким образом,
9/16 растений в потомстве имеют желтые гладкие семена, 3/16 – желтые морщинистые,
3/16 – зеленые гладкие и 1/16 – зеленые морщинистые. В итоге, в потомстве от
дигибридного скрещивания получается соотношение фенотипов 9 : 3 : 3 : 1, основанное на
расщеплении, независимом комбинировании и случайном сочетании гамет. Чем больше
численность проанализированных потомков, тем ближе соотношения их фенотипов к
идеальным и наоборот. Это идеальное соотношение исходит из равной вероятности таких
событий, как расхождение, независимое распределение и случайное оплодотворение.
Случайные отклонения, особенно при небольшом количестве потомства, приводят к несовпадению
реальных результатов с теоретически идеальным соотношением признаков.
РЕЗЮМЕ
Менделевский постулат о независимом комбинировании утверждает, что парные факторы
наследственной единицы, т.е. аллели, расщепляются (сегрегируют) независимо от другой
пары. В результате все возможные комбинации гамет формируются с равной вероятностью.