Помоги проекту - поделись книгой:
Генетических изменений под воздействием высоких или низких температур в митохондриях не происходило, да и не могло произойти! Температура на гены влиять не может. Нет у нее таких полномочий. В описанном эксперименте с колорадским жуком мы имеем дело с так называемой длительной модификацией.
С модификацией! С изменением фенотипа под воздействием факторов внешней среды.
«Но позвольте! – скажете вы. – Каким образом это изменение фенотипа передается по наследственности в течение нескольких поколений?»
На этот вопрос вам пока что никто не сможет дать внятного ответа. Неясно, каким образом. Пока еще цитоплазматическая наследственность не изучена до конца. Да и вообще – разве можно изучить что-либо «до конца»? Чем больше находится ответов, тем больше появляется вопросов. Даже в нормальной анатомии человека, изученной, казалось бы, вдоль и поперек, регулярно совершаются открытия (и защищаются диссертации). Что же говорить о генетике, юной науке, только-только отметившей свой столетний юбилей?
Если хромосомная наследственность в одинаковой степени наследуется по линиям обоих родителей, то для цитоплазматической наследственности характерно наследование по материнской линии.
Почему так происходит?
Ответ прост – яйцеклетка содержит гораздо больше цитоплазмы, чем сперматозоид, потому что она гораздо крупнее. Больше цитоплазмы – больше органелл – больше генетического материала. Опять же, в сперматозоиде митохондрии находятся в так называемой шейке, переходящей в жгутик (хвост).
Благодаря движениям жгутика, сперматозоид продвигается вперед, а митохондрии предоставляют жгутику энергию, необходимую для работы. При оплодотворении ставший ненужным жгутик отваливается вместе с шейкой, внутрь яйцеклетки проникает только головка, содержащая ядро. Собственно, весь смысл жизни сперматозоида заключается в том, чтобы доставить хромосомный генетический материал, содержащийся в ядре, в яйцеклетку. Таким образом отцовские митохондрии, носители цитоплазматической наследственности, попросту не попадают в организм зародыша.
Этапы оплодотворения: 1. Яйцеклетка, окруженная сперматозоидами. 2. Проникновение сперматозоида внутрь яйцеклетки. 3. Слияние ядер двух половых клеток.
Не существует нормы без патологии, а наследственности без генетических болезней. Заболевания, обусловленные цитоплазматической наследственностью, такие, например, как митохондриальный сахарный диабет (да, представьте, есть и такой!), наследуются только по материнской линии.
Изучают наследственность при помощи генетического анализа.
Здесь необходимо сделать одно уточнение.
Все знают, что такое генетический анализ. Это анализ крови, позволяющий определить отцовство, или же анализ крови, подтверждающий наличие каких-то генетических отклонений.
Представление в целом верное, поскольку анализом называется метод исследования, для которого характерно выделение и изучение отдельных частей объектов исследования. Взяли кровь, отделили плазму от форменных элементов, то есть, грубо говоря, отделили жидкость от «сухого остатка», определили наличие конкретного вещества… Анализ, как он есть, и ничего, кроме анализа.
Но кроме генетических исследований крови и прочего биологического материала (волос, слюны и т. д.), существует также научный генетический анализ, представляющий собой исследование генотипа отдельных особей, групп особей и генетической структуры популяций.
Генетический анализ представляет собой разложение совокупности признаков организма на отдельные признаки и изучение соответствующих им генов.
Главным и древнейшим методом генетического анализа (если слово «древнейший» можно применять к методу такой юной науки, как генетика) является скрещивание, тайны которого мы с вами станем исследовать в одиннадцатой главе. Пока что ограничимся только представлением о скрещивании как методе анализа.
Прежде всего определяется признак, который нужно изучить в ходе скрещивания, и выясняется, наследуется ли этот признак вообще.
Провели одно-два скрещивания, получили признак в потомстве, то есть подтвердили его наследуемость, и пошли дальше.
(Если серия скрещиваний не проявила признак в потомстве, то, значит, он по наследству не передается и на этом его изучение с генетической точки зрения пора заканчивать).
На втором этапе нужно выяснить число генов, контролирующих проявление данного признака, и выяснить, как эти гены взаимодействуют между собой.
На третьем этапе нужно определить группу сцепления для изучаемого гена. Группа сцепления – это группа генов, находящихся в одной хромосоме и наследующихся совместно, сцепленной группой. Соответственно, так же сцепленно наследуются и признаки, контролируемые данными генами.
Вопрос на сообразительность – сколько групп сцепления у человека?
Правильный ответ: двадцать три. Логика простая – у человека сорок шесть хромосом, разбитых по принципу схожести на двадцать три пары, следовательно – двадцать три группы сцепления. Так, например, наследование какого-либо гена, находящегося в половых хромосомах (например – генов гемофилии[11] или дальтонизма[12]) называют наследованием, сцепленным с полом.
Генетическая карта дрозофилы, созданная Томасом Морганом
На четвертом этапе производится так называемое картирование гена – строится генетическая карта, на которой отображается взаимное расположение генов в хромосоме. Первым организмом, для которого была получена генетическая карта, стала плодовая муха из рода дрозофил – чернобрюхая дрозофила (Drosophila melanogaster), которая наиболее часто используется в генетических экспериментах. Такую «привилегию» дрозофила получила из-за быстрых темпов своего размножения – от откладки самкой яйца до выхода взрослой мухи из куколки проходит в среднем, десять дней.
В 2003 году была получена целостная картина человеческого генома. Со временем наука дойдет до создания генетических карт каждого человека еще на стадии его внутриутробного развития. Такая индивидуальная генетическая карта будет очень полезной с медицинской точки зрения, ведь корни всех заболеваний – в генах. И не только с медицинской, поскольку гены определяют все развитие организма в целом.
Скрещивание – дело долгое, можно сказать – нудное. Скрестили – ждите потомства. Оценили результат – скрестили снова и снова ждите потомства… Генеалогический метод генетического анализа дает результат гораздо быстрее. В сравнении со скрещиванием – практически мгновенно. Но замечательный метод может применяться лишь в том случае, когда известны прямые родственники обладателя наследственного признака – как предки, так и потомки по материнской и отцовской линиям (причем – в нескольких поколениях).
Именно при помощи генеалогического метода было доказано, что при родственных браках значительно возрастает (по сравнению с неродственными) вероятность появления в потомстве различных уродств и болезней. Причины этого явления мы рассмотрим в одиннадцатой главе, а пока в качестве примера неблагоприятности родственных браков для потомства рассмотрим наследование гемофилии в царских домах Европы. Источником гена, вызывающего развитие этого заболевания у мужчин, стала английская королева Виктория.
Наследственная предрасположенность человека к ряду заболеваний (сахарному диабету, шизофрении, эпилепсии и др.) была выявлена благодаря близнецовому методу генетического анализа, суть которого заключается в сопоставлении особенностей членов близнецовой пары, позволяющем определить степень влияния наследственных факторов и среды на формирование признаков организма.
Не очень понятно?
Тогда скажем проще: наблюдая за однояйцевыми близнецами, имеющими очень схожие (но не абсолютно одинаковые!) генотипы[13], ученые делали выводы о том, что` в большей степени влияет на развитие данного конкретного признака – наследственный фактор или факторы внешней среды.
Например, один близнец всю жизнь прожил в Лондоне, работая страховым агентом, – типичный горожанин-клерк, живущий в умеренном климате. Другой близнец в шестнадцатилетнем возрасте поступил матросом на торговое судно, а после осел в Южной Африке, в Йоханнесбурге, где зарабатывал на жизнь переноской грузов – типичный человек физического труда, живущий в субтропическом климате.
Помимо климата, между средой Лондона и средой Йоханнесбурга существует еще множество различий. А еще добавьте к этому разные профессии и, как следствие, разные образы жизни, разные привычки и т. д. Сами посудите – много ли будет общего между лондонским клерком и йоханнесбургским грузчиком? Но, несмотря на это, у обоих братьев в зрелом возрасте был диагностирован сахарный диабет. Собрав и проанализировав энное количество подобных случаев, ученые пришли к выводу о том, что предрасположенность к сахарному диабету имеет наследственный характер.
Цитогенетический метод представляет собой изучение хромосом при помощи микроскопа. Здесь, как говорится, комментарии излишни, потому что и без них все ясно. Приготовил препарат на стеклышке – и «сиди изучай, премии получай», как говорят бывалые лаборанты.
Биохимический метод генетического анализа позволяет выявить наследственно обусловленные нарушения обмена веществ. Если вдуматься, то любой «сбой» в генах в той или иной степени нарушает обмен веществ в организме. Поэтому перспективы у биохимического метода просто невероятные и безграничные.
Весьма интересен не так давно внедренный метод гибридизации нуклеиновых кислот, суть которого заключается в сборке молекул ДНК из двух отдельных цепочек, или соединение одной цепочки ДНК с молекулой РНК вне живого организма (то есть в пробирке).
Для того чтобы две состоящие из нуклеотидов цепочки соединились в одну молекулу ДНК или же для соединения одной цепочки ДНК с молекулой РНК, необходима комплементарность соединяемых элементов.
Комплементарностью называется взаимное соответствие молекул или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между ними. В частности, в двух цепочках, составляющих молекулу ДНК, напротив азотистого основания тимина (Т) в другой цепочке должен обязательно находиться аденин (А), а напротив гуанина (Г) – цитозин (Ц). При синтезе матричных РНК на матрице цепочки ДНК вместо тимина, которого в молекулах РНК не бывает, аденин будет непременно «соседствовать» с урацилом (У).
Между членами пар «А – Т», «А – У» и «Г – Ц» образуются особые связи, называемые водородными, которые удерживают две цепочки вместе[14]. Водородные связи могут разрушаться и образовываться вновь, а структура цепочек при этом не изменяется. Так, например, во время репликации двойная спираль молекулы ДНК расплетается на отдельные «нити», которые затем снова сплетаются вместе без какого-либо ущерба для себя и всей молекулы ДНК в целом.
«А – Т» или «А – У» плюс «Г – Ц» – таков секретный код нуклеиновых кислот. Нарушить его невозможно, это все равно что пытаться открыть замок при помощи чужого ключа.
Гибридизация проходит следующим образом.
Молекулы ДНК номер один и молекулы ДНК номер два по отдельности подвергают нагреванию в специальном растворе. При нагревании водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями разрушаются, двойные цепочки распадаются на одинарные. Такая «распавшаяся» молекула ДНК называется денатурированной.
Препараты двух денатурированных ДНК смешивают друг с другом и медленно охлаждают до исходной температуры. При этом одинарные цепочки ДНК соединяются друг с другом благодаря образованию водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями. Процесс соединения двух одинарных цепочек по-научному называется гибридизацией.
Вместо молекулы ДНК номер два в исследовании может участоввать молекула информационной РНК, которую предварительно денатурировать не требуется, поскольку она изначально «одноцепочечная».
Во время гибридизации соединяются в двухцепочечные структуры не только цепочки одинаковых молекул ДНК, но и разных. По скорости соединения цепочек ДНК номер один и номер два (или цепочек ДНК с молекулой РНК), а также по степени их соединения можно судить о сходствах и различиях двух нуклеиновых кислот.
Гибрид ДНК – ДНК далек от совершенства. Наряду со «спирализованными» (полностью совпавшими), в нем присутствуют и «неспирализованные» (несовпадающие) участки. Следовательно, ДНК номер один и ДНК номер два мало схожи между собой. А вот гибрид ДНК – РНК представляет собой полное и абсолютное совершенство, что свидетельствует об идентичности обеих нуклеиновых кислот – эта РНК от той самой ДНК.
Гибридизация нуклеиновых кислот – безошибочный метод. Молекулы ДНК разных организмов не могут совпасть полностью. Даже в том случае, если образцы ДНК взяты от однояйцевых близнецов, можно найти некоторые различия. Совпадение исключается точно так же, как исключается полное совпадение отпечатков пальцев двух разных людей, в том числе и однояйцевых близнецов.
Теперь вы знаете, что именно делают криминалисты в кино (и в жизни тоже), когда им дают фрагмент ковролина с пятнами крови и просят дать заключение – кто из трех подозреваемых оставил свою кровь на полу. Всего и делов-то, что взять у подозреваемых по капле крови и поставить три несложных опыта. А в конце серии сказать оперативнику или следователю: «Ищите четвертого!»
Помимо гибридизации нуклеиновых кислот, существует еще один «гибридный» метод – метод гибридизации соматических клеток.
Поскольку соматические (неполовые) клетки содержат весь объем генетической информации, с их участием можно проводить различные эксперименты, которые невозможно, или же очень сложно, или же этически неприемлемо проводить на целом организме.
После внедрения в генетику методов исследований с участием соматических клеток человек стал одним из главных экспериментальных объектов – делай с ним (то есть с его клетками) все, что захочется, и никто слова поперек не скажет. Если для эксперимента нужно большое количество клеток, например – лимфоцитов крови, то их выращивают искусственным образом, вне организма, из того количества, которое содержится в одной капле крови. Каплю крови для эксперимента получить несложно, это не три литра. А выращивать клетки вне организма ученые давно научились.
«Стоп! – воскликнут сейчас наиболее вдумчивые и сведущие в медицине читатели. – Тут или ошибка автора, или же автор только что случайно выдал нам одну из главных тайн современности! Если ученые давно научились выращивать клетки вне организма, то почему существуют такие большие проблемы с поиском донорских органов для трансплантации? Некоторые люди годами (годами, без преувеличения!) могут ждать подходящего им органа. Да еще и не факт, что вообще дождутся его… А после пересадки возникает проблема отторжения – организм отвергает пересаженный орган как чужеродный, и пациенту до конца дней своих приходится принимать препараты, подавляющие иммунную систему, ведь именно она борется со всем чужеродным. Так почему бы не избавить людей от лишних страданий? Почему бы не выращивать печень, почку или сердце из клеток пациента и ему же пересаживать? Так же проще, лучше и быстрее… В чем дело? Методика выращивания клеток засекречена? Или же существует мировой заговор трансплантологов?»
Нет ни засекреченности, ни заговора.
Дело в том, что культуры клеток растут вне организма без образования тканей. Тканями называют группы клеток вкупе с межклеточным веществом, имеющие схожее строение и выполняющих схожие функции. Органы образованы сочетанием различных тканей. В организмах животных выделяют следующие виды тканей:
– эпителиальная, или покровная ткань (также называемая эпителием), которая покрывает организм снаружи (верхний слой кожи), выстилает поверхность внутренних органов и внутренние полости, а также входит в состав желез внутренней и внешней секреции (эпителий подразделяется на два вида – покровный и железистый);
– соединительная ткань, играющая вспомогательную роль во всех без исключения, органах, где она выполняет опорную, защитную и питательную (трофическую) функции; соединительная ткань отличается большим разнообразием клеток, к ней относятся кровь и кроветворная ткань, лимфатическая ткань, жировая ткань, костная ткань, хрящевая ткань и др.;
– мышечная ткань, которая может различаться по строению, но все ее виды обладают одной особенностью – способностью к выраженным сокращениям;
– нервная ткань, которая обеспечивает взаимодействие тканей, органов и систем организма и осуществляет их регуляцию; нервные клетки, называемые нейронами, способны воспринимать раздражение и передавать регулирующие (возбуждающие или тормозящие) импульсы.
Можно вырастить вне организма культуру жировых клеток, но они не объединятся в единое целое – жировую соединительную ткань. И клетки печени, выращенные вне организма, не объединятся в ткань, а тем более – в целый орган. Они так и останутся разрозненными клетками.
Но для генетических исследований на клеточном уровне разрозненные клетки подходят превосходно. При помощи слияния друг с другом (гибридизации) соматических клеток организмов, принадлежащих к разным биологическим видам, генетики определяют местонахождение конкретного гена на хромосоме. Такое слияние достигается с помощью специальных вирусов, изменяющих свойства клеточных мембран, а проще говоря – разрушающих их, но не полностью, а фрагментарно. Полное разрушение мембраны приводит к гибели клетки.
Суть этого метода заключается в том, что у межвидовых гибридов соматических клеток в процессе размножения происходит утрата хромосом преимущественно одного из биологических видов (только одного!), – и утрата эта носит случайный характер. В результате клоны (клетки-потомки) содержат оставшиеся хромосомы в разнообразных сочетаниях. Анализ клонов, содержащих различные наборы исследуемых хромосом, позволяет локализовать ген на хромосоме.
Сказать проще? Посредством метода соматической гибридизации из генетического материала клетки (генотипа) выделяются отдельные хромосомы или фрагменты хромосом, доступные для изучения при помощи маркеров[15].
Да – это выделение идет в случайном порядке, но тем не менее метод пригоден для использования, поскольку позволяет «просеять» хромосомы, выделить из общей массы одну хромосому или ее фрагмент, удобный для изучения.
Соматические клетки обладают высокой совместимостью. Настолько высокой, что гибриды могут быть получены не только между клетками разных видов, родов, семейств, но даже классов, например – человека и комара. Но обычно для гибридизации с клетками человека используют соматические клетки грызунов, чаще всего – мышей.
Самым масштабным методом генетического анализа является популяционный (популяционно-генетический) метод исследования, изучающий распространенность генов и генотипов в пределах популяций и выявляющий генетические различия между разными популяциями. В медицинской генетике существует специальный раздел, изучающий распространенность наследственных заболеваний в популяциях. Этот раздел называется популяционной генетикой или же, если сложнее и точнее, то популяционной геногеографией наследственных болезней. Термин «геногеография» вряд ли нуждается в расшифровке, из названия ясно, о чем идет речь.
Популяционной генетике мы посвятим отдельную главу – двенадцатую. А сейчас, в завершение этой главы, рассмотрим еще один метод генетического анализа, назвать который сможет, пожалуй, любой из читателей этой книги. Этот метод присутствует практически во всех науках. Он является наиболее универсальным из всех универсальных методов исследования и самым древним. Его применяли еще первобытные люди. Увидит группа охотников трепетную первобытную лань или, к примеру, дикую козу, вскинет копья наизготовку, а вожак их осадит: «Однако козы этой на всех не хватит, надо стадо поискать, оно где-то рядом».
Вы уже, конечно же, догадались, что это статистико-математический метод, который широко применяется в генетике в сочетании с математическим моделированием для анализа наследования признаков. Очень трудно, практически невозможно изучать проявления признаков (изучать на любом уровне) без знания количественных характеристик их наследования в ряду поколений. Это знание и облегчает, и ускоряет процесс генетического анализа. Статистика и математика – царицы всех наук[16].
Глава шестая
Генетика пола
Все живое на нашей планете размножается двумя способами – бесполым и половым.
Суть бесполого размножения заключается в том, что следующее поколение развивается из соматических клеток без участия половых клеток (гамет).
Известно несколько видов бесполого размножения. Самый простой так и называется – простое деление. Такое размножение характерно для одноклеточных организмов. Клетки просто делятся надвое или же на большее количество дочерних клеток.
Вопрос: является ли каждая дочерняя клетка, образовавшаяся путем простого деления точной копией материнской?
Вроде бы: да, является, поскольку получает тот же самый набор генов. И чаще всего так оно и происходит, но… Но если в генах материнской клетки за период ее жизни произошли какие-то изменения, то дочерние клетки уже не будут точной копией материнской. Изменчивость присутствует как при половом, так и при бесполом размножении.
Почему бактерии размножаются так быстро? Еще утром человек был полностью здоров, а вечером у него уже ангина? Или – пневмония…
Потому что они размножаются простым делением и, подобно всем одноклеточным организмам, имеют довольно простое строение. В результате при благоприятных условиях, количество бактерий может удваиваться каждые полчаса-час. Вот такие темпы!
Некоторые грибы и растения пошли более сложным путем. Они образуют так называемые споры – одноклеточные структуры, предназначенные для размножения. Спору можно сравнить с простейшим семенем. Простейшим, поскольку спора имеет очень простое строение – состоит из одной клетки, которая иногда может иметь двигатель-жгутик. Запаса питательных веществ, обязательного для семян, спора не содержит. Это клетка, просто клетка, и ничего, кроме клетки.
При бесполом размножении посредством спорообразования дочерние организмы полностью схожи с родительскими, если только за период жизни родителей в их генах не произошло никаких изменений.
У некоторых грибов споры могут быть структурной единицей полового размножения. Те, кто хочет узнать об этом больше, могут набрать в поисковике слово «базидиоспоры».
Бесполое размножение может осуществляется путем отделения от организма его части, состоящей из множества клеток. Такая форма бесполого размножения называется вегетативным размножением. Примером его является размножение растений побегами, черенками, клубнями или луковицами. В основе вегетативного размножения лежит регенерация – способность живых организмов со временем восстанавливать поврежденные ткани и утраченные органы вплоть до восстановления целого организма из искусственно отделенного от него фрагмента. По сути, выращивание растения из клубня и образование полноценной особи из фрагмента тела дождевого червя[17] – это однотипные процессы. Вопрос на засыпку. Все вы, дорогие читатели, хотя бы слышали о том, что садовники размножают растения черенками. А некоторым из вас приходилось лично высаживать черенки. Черенки предпочтительнее семян, поскольку они более устойчивы к действию факторов внешней среды. Черенок можно вырастить в благоприятных тепличных условиях, а затем, окрепший и устойчивый, высадить в почву по месту постоянного проживания. А почему черенки и прочие побеги да клубни-луковицы так любят селекционеры, выводящие новые сорта растений? В чем генетический смысл размножения побегами и клубнями? Чем побег предпочтительнее семени, с точки зрения селекционера?
Получилось целых три вопроса вместо одного, но на все три можно дать один ответ. Время пошло…
При бесполом вегетативном размножении потомство будет точной копией родителя, а при половом размножении семенами – не будет. Поэтому если селекционер добился того, к чему стремился, то он станет «тиражировать» полученный результат путем черенкования.
Некоторые одноклеточные организмы (например – дрожжевые грибы) и даже многоклеточные (например – пресноводная гидра) размножаются почкованием. При почковании на материнской клетке или материнском организме появляется локальное выпячивание, которое впоследствии отпочковывается. Отпочковавшийся фрагмент может быть клеткой или же многоклеточным организмом, но не в количестве клеток дело, а в том что они образуются посредством митотического, бесполого деления соматических клеток.
Обратите внимание на то, что бесполое размножение следует отличать от партеногенеза – однополого размножения. На первый взгляд может показаться, что бесполое и однополое размножение – это одно и то же. Но на самом деле далеко не одно.
Партеногенез, также называемый девственным размножением, является разновидностью ПОЛОВОГО размножения! Потому что при партеногенезе взрослый организм развивается из неоплодотворенной яйцеклетки, то есть из ЖЕНСКОЙ ПОЛОВОЙ КЛЕТКИ. Партеногенез мало распространен в природе – так размножаются некоторые муравьи и тараканы, тля, рачки-дафнии, скальные ящерицы, комодские вараны.
У человека, знакомого с основами генетики, при упоминании о партеногенезе сразу же возникает вопрос: как при этом способе размножения яйцеклетка получает полный набор хромосом, необходимый для нормальной жизнедеятельности развивающегося из нее организма?
Различными путями.
Например, у дафний яйцеклетки образуются без мейоза, то есть сохраняют полный набор хромосом. Такой партеногенез называется амейотическим[18].
При мейотическом партеногенезе яйцеклетки проходят мейоз, теряя при этом половину своих хромосом, но затем восполняют эту утрату удвоением числа хромосом в ядрах без деления ядер (и самих клеток). Такое удвоение без деления называется эндомитозом (внутренним митозом).
Поделиться книгой: