От Менделя до ДНК: ключевые этапы становления генетики как науки

 Основы генетики. 

Генетика возникла в начале XX в., хотя первые шаги в изучении наследственности были сделаны во второй половине XIX в. чешским естествоиспытателем Г. Менделем, который своими опытами заложил основы современной генетики. В 1868 г. он поставил опыты по скрещиванию гороха, в которых доказал, что наследственность не имеет промежуточного характера, а передается дискретными частицами. Сегодня мы называем эти частицы генами. Результаты своих наблюдений Мендель отразил в опубликованной им научной статье, которая, к сожалению, осталась незамеченной.

Те же самые выводы были вновь получены в 1900 г., когда три исследователя — X. Де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак — провели свои эксперименты, в которых повторно открыли правила наследования признаков. Поэтому основателями новой науки считаются вышеназванные ученые, а свое название эта наука получила в 1906 г., •дал его английский биолог У. Бетсон.

Огромную роль в становлении генетики сыграл датский исследователь В. Иогансен, который ввел в широкий обиход основные термины и определения, используемые в этой науке. Среди них важнейшим понятием является «ген» — элементарная единица наследственности. Он представляет собой внутриклеточную молекулярную структуру. Как мы знаем сегодня, ген — это участок молекулы ДНК, находящийся в хромосоме, в ядре клетки, а также в ее цитоплазме и органоидах. Ген определяет возможность развития одного элементарного признака или синтез одной белковой молекулы. Как было отмечено ранее, число генов в крупном организме может достигать многих миллиардов. В организме гены являются своего рода «мозговым центром». В них фиксируются признаки и свойства организма, передающиеся по наследству.

Генами называют многочисленные различные единицы, из которых сла­гается вся совокупность генетической информации индивидуума. Каждый живой организм представляет собой неповторимую ин­дивидуальность, потому что неповторима имеющаяся у каждого человека комбинация генов. Гены несут в себе информацию о том, какие белки и в каком соотношении должны вырабатывать наши клетки, а также о том, как будет сказываться на их образо­вании и взаимодействии та среда, в которой развивается и жи­вет организм. Ген - элементарная единица наследственности, характеризующаяся рядом признаков. Ген - внутриклеточная молекулярная структура. По химическому составу - это нуклеи­новые кислоты, в составе которых основную роль играют азот и фосфор. Гены, как правило, располагаются в ядрах клеток. Они имеются в каждой клетке. Поэтому их общее количество в круп­ных организмах может достигать многих миллиардов.

Совокупность всех генов одного организма называется генотипом.

Совокупность всех вариантов каждого из генов, входящих в состав генотипов определенной группы особей или вида в целом, называется генофондом. Например, у мухи дрозофилы известна целая серия из 12 генов окраски глаза (красная, коралловая, вишневая, абрикосовая и т.д. до белого цвета). Генофонд является видовым, а не индивидуальным признаком.

Совокупность всех признаков одного организма называется фенотипом. Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа и окружающей среды.

Генетика изучает два фундаментальных свойства живых систем — наследственность и изменчивость, т.е. способность живых организмов передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение, а также приобретать новые качества. Наследственность создает непрерывную преемственность признаков, свойств и особенностей развития в ряду поколений. Изменчивость обеспечивает материал для естественного отбора, создавая как новые варианты признаков, так и бесчисленное множество комбинаций прежде существовавших и новых признаков живых организмов.

Генетика о наследственности

В основу генетики легли законы наследственности, обнаруженные Менделем при проведении им серии опытов по скрещиванию различных сортов гороха. В ходе этих исследований им были открыты количественные закономерности наследования признаков, позже названные в честь первооткрывателя законами Менделя. Эти три закона известны как закон единообразия первого поколения гибридов, закон расщепления и закон независимого комбинирования признаков.

Первый закон Менделя — закон единообразия первого поколения гибридов — устанавливает, что при скрещивании двух особей, различающихся по одной паре альтернативных признаков, гибриды первого поколения оказываются единообразными, проявляя лишь один признак. Выбор этого признака зависит от того, какой из генов является доминантным, а какой рецессивным. Мутация (замена или потеря части нуклеотида в молекуле ДНК) может возникнуть в разных частях одного и того же гена. Это может происходить как в разных половых клетках одного организма, так и в клетках разных организмов. Таким путем образуется несколько аллелей одного гена и соот­ветственно несколько вариантов одного признака (например, несколько аллелей по гену окраски глаз). Совокупность всех ва­риантов каждого из генов, входящих в состав генотипов опреде­ленной группы особей или вида в целом, называется генофон­дом. Например, при скрещивании двух сортов гороха с желтыми и зелеными семенами в первом поколении гибридов все семена имеют желтую окраску. Этот признак, проявляющийся в первом поколении гибридов, называется доминантным. Второй признак (зеленая окраска), называется рецессивным и в первом поколении гибридов подавляется.

Второй закон Менделя — закон расщепления — гласит, что при скрещивании гибридов первого поколения их потомство (второе поколение гибридов) дает расщепление по анализируемому признаку в отношении 3 : 1 по фенотипу, 1:2:1 по генотипу, или Аа + Аа = АА + 2Аа + аа. В этом же примере скрещивания двух сортов гороха с желтыми и зелеными семенами во втором поколении гибридов произойдет расщепление: появятся растения с зелеными семенами (рецессивный признак), однако количество зеленых семян будет в три раза меньше количества желтых (доминантный признак).

Третий закон Менделя — закон независимого комбинирования признаков — утверждает, что при скрещивании организмов, отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях. Так, при дигибридном скрещивании двух сортов гороха с желтыми гладкими и зелеными морщинистыми семенами во втором поколении гибридов по внешним признакам выявляются четыре группы особей (желтые гладкие семена, желтые морщинистые, зеленые гладкие, зеленые морщинистые) в количественном соотношении — 9:3:3:1.

Хромосомная теория наследственности. Третий закон Менделя действует не во всех случаях. Поэтому важным этапом в развитии генетики явилось создание в начале XX в. американским ученым Г. Морганом хромосомной теории наследственности. Наблюдая деление клеток, Морган пришел к выводу, что основная роль в передаче наследственной информации принадлежит хромосомам клеточного ядра. Американскому ученому удалось выявить закономерности наследования признаков, гены которых находятся в одной хромосоме, — они наследуются совместно. Это называется сцеплением генов, или законом Моргана. Морган логично заключил, что у любого организма признаков много, а число хромосом невелико. Следовательно, в каждой хромосоме должно находиться много генов.

Каждая хромосома состоит их центральной нити, именуемой хромонемой, вдоль которой расположены структуры — хромомеры. Хромосомы приобретают такой вид только во время деления клетки, в другое же время они имеют вид тонких темноокрашенных нитей. В каждой клетке любого организма данного вида содержится определенное число хромосом, но их количество у каждого вида различно. Например, у плодовой мушки дрозофилы их 8, у садового гороха — 14, у жабы — 22, у крысы — 42, у утки — 80, а у микроскопического морского животного радиолярии — 1600. Геном человека состоит из 46 хромосом. У других видов животных количество хромосом может быть различным, но определенным и постоянным для данного вида. Хромосомы всегда парны, т.е. в клетке всегда имеется по две хромосомы каждого вида. Так, у человека имеется 23 пары хромосом. Пары отличаются друг от друга по длине, форме и наличию утолщений и перетяжек.

Ответила генетика также и на вопрос о происхождении половых различий. Так, у человека из 23 пар хромосом 22 пары одинаковы как у мужского, так и у женского организмов, а одна пара — различна. Именно благодаря этой паре обусловлены половые различия, поэтому ее называют половыми хромосомами, в отличие от одинаковых хромосом, названных аутосомами. Половые хромосомы у женщин одинаковы, их называют Х-хромосомами. У мужчин половые хромосомы разные — одна Х-хромосома и одна У-хромосома. Для каждого человека решающую роль в определении пола играет У-хромосома. Если яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, несущим Х-хромосому, развивается женский организм, если же в яйцеклетку проникает сперматозоид, содержащий У-хромосому, развивается мужской организм.

Следующий важный этап в развитии генетики начался в 1930-е гг. и связан с открытием роли ДНК в передаче наследственной информации. Началось раскрытие генетических закономерностей на молекулярном уровне, зародилась новая дисциплина — молекулярная генетика. Тогда же в ходе исследований было установлено, что основная функция генов состоит в кодировании синтеза белков. Затем, в 1950 г. С. Бензером была установлена тонкая структура генов, был открыт молекулярный механизм функционирования генетического кода, понят язык, на котором записана генетическая информация. Для этого используются четыре азотистых основания (аденин, тимин, гуанин и цитозин), пятиатомный сахар и остаток фосфорной кислоты. В результате исследований стало ясно, что для синтеза белков вместе с ДНК необходимо наличие РНК. Это видно из того, что ДНК остается в ядре эукариотических клеток, РНК находится в протоплазме, т.е. там где протекает синтез белка. ДНК и РНК построены из одних и тех же мономерных нуклеотидов, но между ними имеются и некоторые различия: несколько различаются входящие в их состав сахара (РНК содержит рибозу, а ДНК - дезоксирибозу); три азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) в нуклеотидах ДНК и РНК одинаковы. Четвертое же основание у этих у этих двух нуклеиновых кислот отли­чается. В состав РНК входит урацил (У), в состав же ДНК входит сходное с (У) основание тимин (Т); молекулы РНК одноцепочечные, а у ДНК - двухцепочечные. Но молекула РНК может образовывать петли. Та­кие участки ее структуры напоминают двухцепочечные, так как часть оснований на одной ветви петли соединя­ется водородными связями с основаниями на другой ее же ветви.

РНК синтезируется на матрице ДНК. Этот процесс называ­ется транскрипция (переписывание). При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, и вдоль одной из ее цепей движется особый фермент, который выстраивает нуклеотидные мономеры РНК против их партнеров на цепи ДНК и соединяет эти мономеры друг с другом с образованием длинной цепи РНК. Правила спаривания оснований соблю­даются и в этом случае, т.е. гуанин спаривается с цитозином, а тимин ДНК спаривается с аденином РНК. Урацил РНК спаривается с аденином ДНК. На матрице ДНК образуются три типа РНК: матричная (мРНК), в которой передается генетическая инструкция по синтезу полипептидов от ДНК к белоксинтезирующему аппарату - рибосомам; транспортная (тРНК), которая доставляет к рибосомам аминокислоты, из которых строится полипептидная цепь. Причем, каждую аминокислоту переносит особый, именно для нее предназначенный вид тРНК, рибосомная (рРНК), являющаяся главным компонентом рибосом.

В клеточной ДНК имеются гены, ответственные за синтез всех трех типов РНК, но только гены матричной РНК содержат информацию по синтезу белков. Молекула мРНК образуется в результате транскрипции од­ного из генов, так, что в ней содержится та же информация по синтезу полипептида, что и в этом гене. Процесс, с помощью которого генетическая информация мРНК превращается в структуру полипептида, называют трансляцией (переводом).

И, наконец, был расшифрован механизм репликации (передачи наследственной информации) ДНК. Известно, что последовательность оснований в одной нити в точности предопределяет последовательность оснований в другой — это так называемый принцип комплиментарности, действующий по типу матрицы.

При размножении две спирали старой молекулы ДНК расходятся, и каждая становится матрицей для воспроизводства новых нитей ДНК. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает в себя одну старую полинуклеотидную цепь и одну новую. Удвоение молекул ДНК происходит с удивительной точностью, чему способствует двухцепочное строение молекулы — новая молекула абсолютно идентична старой. В этом заключается глубокий смысл, потому что нарушение структуры ДНК, приводящее к искажению генетического кода, сделало бы невозможным сохранение и передачу по наследству генетической информации, обеспечивающей развитие присущих организму признаков. Спусковым механизмом репликации является наличие особого фермента — ДНК-полимеразы.

Генетика об изменчивости

Генетические механизмы наследственности тесно связаны с генетическими механизмами изменчивости, т.е. со способностью живых организмов приобретать новые признаки и свойства в процессе взаимодействия организма с окружающей средой. Изменчивость является основой для естественного отбора и эволюции организмов.

По механизмам возникновения и характеру изменений признаков генетика различает две основные формы изменчивости: 1) наследственную (генотипическую) и 2) ненаследственную (фенотипическую), или модификационную изменчивость. Модификационная изменчивость зависит от конкретных условий среды, в которой существует отдельный организм, и дает возможность приспособиться к этим условиям, но в пределах нормы реакции. Так, европеец, долго живущий в Африке, приобретет сильный загар, но цвет его кожи все-таки не будет таким, как у коренных обитателей этого континента. Данные изменения не наследуются.

Изменчивость, связанная с изменением генотипа, называется генотипической изменчивостью.

Генетическая изменчивость передается по наследству и подразделяется на комбинативную и мутационную.

Наиболее ярко наследственная изменчивость проявляется в мутациях — перестройках наследственного основания, генотипа организма. Мутационная изменчивость — это скачкообразное и устойчивое изменение генетического материала, передающееся по наследству. Хотя процесс репликации ДНК и деления клеток обычно идет чрезвычайно точно, иногда, примерно один раз на тысячу или миллион случаев, этот процесс нарушается, и тогда хромосомы новой клетки отличаются от тех, которые были в старой. Таким образом, мутация возникает вследствие изменения структуры генов или хромосомы и служит единственным источником генетического разнообразия. Существуют разные типы генных и хромосомных мутаций.

Факторы, способные вызывать мутации, называются мутагенами. Они подразделяются на физические (различные виды излучений, высокие или низкие температуры), химические (некоторые лекарства и др.) и биологические (вирусы, бактерии). По значимости для организма мутации подразделяются на отрицательные — летальные (несовместимые с жизнью), полулетальные (снижающие жизнеспособность организма), нейтральные и положительные (повышающие приспособляемость и жизнестойкость организма). Положительные мутации встречаются крайне редко, но именно они лежат в основе прогрессивной эволюции.

Комбинативная изменчивость связана с получением новых комбинаций генов, имеющихся в генотипе. Сами гены при этом не изменяются, но возникают их новые сочетания, что приводит к появлению организмов с другим генотипом и, следовательно, фенотипом. Опыты Менделя по дигибридному скрещиванию являются примером проявления изменчивости, обусловленной перекомбинацией генов, т.е. комбинативной изменчивости. Еще одним примером такой изменчивости является генетическая рекомбинация, которая происходит при половом размножении. Именно поэтому дети похожи на своих родителей, но не являются их точной копией. Кроме того, рекомбинация может происходить за счет включения в геном клетки новых, привнесенных извне генетических элементов — мигрирующих генетических элементов. В последнее время было установлено, что даже само их внедрение в клетку дает мощный толчок к множественным мутациям.

Такой толчок могут давать вирусы — одни из наиболее опасных мутагенов. Вирусы — это мельчайшие из живых существ. Они не имеют клеточного строения, не способны сами синтезировать белок, поэтому получают необходимые для их жизнедеятельности вещества, проникая в живую клетку и используя чужие органические вещества и энергию. У человека, как и у растений, и у животных, вирусы вызывают множество заболеваний.

Хотя мутации — главные поставщики эволюционного материала, однако они относятся к изменениям случайным, подчиняющимся вероятностным, или статистическим, законам. Поэтому они не могут служить определяющим фактором эволюционного процесса. Правда, некоторые ученые рассматривают мутации в качестве основного эволюционного фактора, забывая при этом, что в таком случае необходимо признать изначальную полезность и пригодность абсолютно всех возникающих случайных изменений. А это противоречит наблюдениям в природе и экспериментам в селекции.

В действительности, кроме отбора — естественного или искусственного, не существует никакого другого средства регулирования наследственной изменчивости. Только отбор со стороны природы или человека может сохранить случайно появившиеся изменения, оказавшиеся полезными в определенных условиях, и использовать их для дальнейшей эволюции.

Тем не менее, идея о ведущей роли мутаций в эволюционном процессе легла в основу теории нейтральных мутаций, созданной в 70—80-е гг. XX в. японскими учеными М. Кимурой и Т. Ота. Согласно этой теории изменения в функциях белоксинтезирующего аппарата являются результатом случайных, нейтральных по своим эволюционным последствиям мутаций. Их истинная роль — провоцировать генетический дрейф — изменение частоты генов в популяции под действием совершенно случайных факторов. На этой основе была провозглашена нейтралистская концепция недарвиновской эволюции, сущность которой заключается в идее, что на молекулярно-генетическом уровне естественный отбор не работает. И хотя эти представления не являются общепринятыми среди биологов, очевидно, что непосредственной ареной действия естественного отбора является фенотип, т.е. живой организм, онтогенетический уровень организации жизни.

Генетический код

Белки выполняют в организме множество функций: они ка­тализируют биохимические реакции, осуществляют все виды клеточных движений, создают различные компоненты клеточных органелл, иными словами, от них зависит вся жизнедеятель­ность организма. Насколько эффективно работает тот или иной белок, зависит от его структуры, сама же структура, в конечном счете, определяется последовательностью аминокислот в его полипептидных цепях. Напомним, что молекулы некоторых бел­ков состоят из более чем одной полипептидной цепи; молекула гемоглобина, например, состоит их четырех полипептидных це­пей. Сначала синтезируются отдельные полипептиды, а затем происходит сборка полипептидов в белок.

Биохимики пришли к заключению, что генетическая ин­формация должна - прямо или косвенно - определять последо­вательность аминокислот в полипептидах, а тем самым и их структуру. Поскольку ДНК и полипептиды представляют собой линейные (неразветвленные) молекулы, естественно напраши­вается мысль, что порядок нуклеотидов в ДНК определяет поря­док аминокислот в полипептидах (таб.1.)

Таблица 1.

Но каким же образом аминокислотная последовательность полипептида закодирована в структуре молекулы ДНК? В ДНК четыре вида нуклеотидов, и, значит, «алфавит» генетического кода состоит, очевидно, из четырех букв. Поскольку в белках встречается 20 различных аминокислот, ясно, что каждая не может определяться только одной такой буквой, ибо в этом слу­чае 16 «лишних» аминокислот вообще не имели бы шансов по­пасть в белок. Не могут «слова» генетического языка опреде­ляться и двумя буквами, потому что из четырех букв могут состо­ять не более 16 пар, что все еще слишком мало. Число же раз­личных сочетаний по три (триплетов) из четырех букв равно 64, а этого уже хватает с избытком. Наименьшая возможная длина «слова», определяющего ту или иную аминокислоту в «генетиче­ском языке», - это три нуклеотида.

К началу 60-х годов накопилось уже довольно много дан­ных в пользу триплетности генетического кода. Неизвестно бы­ло, однако, какой триплет кодирует каждую конкретную амино­кислоту. Биохимикам удалось разработать методику приготовле­ния искусственных РНК с известной последовательностью нук­леотидов. Когда эти искусственные РНК вводили в растворы, содержащие рибосомы, аминокислоты, транспортные РНК и прочие вещества, необходимые для белкового синтеза, они на­правляли синтез полипептидов.

В 1961 г. ученые обнаружили, что в присутствии искусст­венной РНК, содержащей одни только урациловые нуклеотиды, синтезируется полипептидная цепь, состоящая из остатков од-ной-единственной аминокислоты, а именно, из фенилаланина.

Таблица 2.

Чтобы найти аминокислоту, определяемую данным кодоном, начните со строки, относящейся к первому основанию кодона (слева), и двигайтесь вдоль этой строки до столбца, расположенного под вторым основанием кодона. Здесь найдите третье основание кодона - в крайнем правом столбце. Три стоп-кодона отмечают положение, в котором рибосома прекращает считывание мРНК и обрывает синтез полипептидной цепи. Кодон АУГ служит сигналом для начала синтеза полипептида.

Для аминокислот приняты следующие сокращения: Ала - аланин; Apr -аргинин; Асн - аспаргин; Асп -т аспаргиновая кислота; Вал - валин; Гис - гисти-дин; Гли - глицин; Глн - глутамин; Глу - глутаминовая кислота; Иле - изолей-цин; Лей - лейцин; Лиз - лизин; Мет - метеонин; Про - пролин; Сер - серии; Тир - тирозин; Тре - треонин; Три - триптофан; Фен - фенилаланин; Цис - цистеин.

Стало ясно, что кодовому «слову» УУУ в РНК соответству­ет аминокислота фенилаланин. В ДНК кодов для нее должен быть комплиментарный триплет нуклеотидов, т.е. AAA. Труднее было выявить аминокислоты, кодируемые триплетами, состоя­щими из разных букв; однако уже к 1965 г. был расшифрован весь генетический код.

Кодовые «слова», или кодоны, которые несет в себе матричная РНК, показаны в табл. 4.4. Обратите внимание, что 3 из 64 триплетов не кодируют никаких аминокислот: УАА, УАГ и УГА - это стоп-сигналы, обрывающие синтез полипептидной цепи. Число кодонов для аминокислот равно, таким образом, 61. По­скольку многие аминокислоты кодируются более чем одним кодоном, код является вырожденным.

Перемещаясь вдоль молекулы матричной РНК и считывая по три ее нуклеотида, можно получить кодоны, которые будут транслироваться в определенную аминокислотную последова­тельность. Это означает, что слова в генетическом коде для по­липептидной цепи не перекрываются. Если бы код был перекры­вающимся, т.е. второе слово начиналось со второй или третьей буквы первого слова и т.д., то его возможности были бы очень ограничены.

Известно также, что слова в генетическом коде стоят не­посредственно друг за другом, без пробелов, которые означали бы начало и конец кодона. Закодированное сообщение должно считываться, следовательно, с какой-то определенной началь­ной точки, иначе вся последовательность будет прочитана не­верно. Допустим, что в РНК мы имеем последовательность УЦУАГАГЦУА, которая, если прочитать ее слева направо, будет кодировать аминокислотную последовательность сер-арг-ала. Если, однако, мы начнем ее читать не с начала, а со второго нуклеотида (Ц), то получится совершенно иная аминокислотная последовательность лей-глу-лей.

Из сказанного выше видно, что мутация в ДНК гена может изменить и кодируемый этим геном белок. Мутация может выра­зиться в добавлении, утрате, перестройке или изменении одного или нескольких нуклеотидов в ДНК. Знакомясь с генетическим кодом по табл. 2, нетрудно заметить, что изменение третьего нуклеотида кодона часто остается без последствий: в полипеп­тидную цепь включается та же самая аминокислота. Однако из­менение первого или второго нуклеотида чаще всего приводит к тому, что на определенное место в полипептидной цепи включа­ется уже иная кислота, тогда как прочие аминокислоты в этом полипептиде остаются неизменными. Добавление или утрата одного из нуклеотидов может иметь катастрофические последст­вия, потому что вызовет сдвиг рамки считывания, а значит, и изменение всех аминокислот от места, затронутого мутацией, до самого конца полипептидной цепи. Мутации бесконечно разно­образны, и столь же разнообразно их влияние на кодируемый данным геном белок: от полного отсутствия изменений до изме­нений столь серьезных, что клетка уже не может синтезировать функциональный белок.

У эукариот между генами многих полипептидов вставлены участки ДНК, не содержащие информации ни для какого поли­пептида. Смысл такого странного расположения еще не ясен. При транскрипции, т.е. во время синтеза мРНК, участки некодирующейся ДНК тоже транскрибируются, но потом они удаляются из мРНК еще до трансляции (т.е. до ее перевода в полипептид).

Встречается и другая крайность: у некоторых вирусов, а возможно и у некоторых бактерий есть перекрывающиеся гены, имеющие общие участки ДНК. Это, по-видимому, приспособле­ние, позволяющее сэкономить место, что особенно важно для таких крошечных существ. Конец одного гена сможет совпадать с началом другого, или один ген может заключать в себе еще какой-либо второй ген. У одного вируса обнаружено перекрыва­ние генов, при котором два гена начинаются в одной и той же точке. Первый ген заканчивается у стоп-кодона, но белоксинтезирующий аппарат иногда перескакивает через этот стоп-сигнал и продолжает синтезировать белок вдоль матричной РНК до тех пор, пока не дойдет до второго стоп-сигнала. Вирусу нужны оба белка, как короткий, так и длинный.

СВЕРНУТЬ

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/434711-osnovy-genetiki