Основы генетики

СОДЕРЖАНИЕ Введение Глава 1. Становление генетики как науки

1.1 Основные этапы развития генетики

1.2 Вклад отечественных ученых в развитие генетики Глава 2. Основные положения мутационной теории

2.1 Гибридологический метод Г. Менделя

2.2 Хромосомная теория наследственности Т. Моргана. Понятие о гене

2.3 Мутации как нарушения последовательности чередования нуклеиновых оснований в структуре гена Заключение Литература ВВЕДЕНИЕ Мутационная теория или теория мутаций — это раздел генетики, рассматривающий основы генетической изменчивости и эволюции. Мутационная теория составляет одну из основ генетики. Она зародилась вскоре после переоткрытия К. Корренсом, Г. де Фризом и Э. Чермаком законов Менделя в начале XX столетия. Можно считать, что она почти одновременно зародилась в умах голландца Де Фриза (1903) и отечественного ученого-ботаника Коржинского (1899). Признание основного эволюционного значения за дискретной изменчивостью и отрицание роли естественного отбора в теориях Коржинского и Де Фриза было связано с неразрешимостью в то время противоречия в эволюционном учении Ч. Дарвина между важной ролью мелких уклонений и их «поглощением» при скрещиваниях. Решающий вклад в развитие этой теории внес американский ученый Томас Морган. В первой половине XIX в. стали складываться непосредственные предпосылки учения о наследственности и изменчивости — генетики. Качественным рубежом здесь, по-видимому, оказались два события. Первое — создание клеточной теории. Старая, идущая от XVIII в. идея единства растительного и животного миров должна была получить конкретно-научное выражение в форме теории, которая базируется на том, что инвариантные характеристики органического мира должны иметь свое морфологическое выражение, проявляться в определенной структурной гомологии организмов. Второе событие — выделение объекта генетики, то есть явлений наследственности как специфической черты живого, которую не следует растворять в множестве свойств индивидуального развития организма. Такой подход сформулирован у О. Сажрэ и в полной мере получил свое развитие в творчестве Г. Менделя.

Целью данной работы является рассмотрение основ теории мутаций и эволюции представлений о гене. Можно выделит следующие задачи:

1. Рассмотреть главные этапы развития генетики и отметить вклад отечественных ученых в ее развитие.

2. Перечислить основные положения мутационной теории, выделив работы Г. Менделя и Т. Моргана.

3. Дать определение понятиям «ген» и «мутация» с современной точки зрения.

ГЛАВА 1. ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ ГЕНЕТИКИ. ВКЛАД ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ УЧЕНЫХ В РАЗВИТИЕ ГЕНЕТИКИ

1.1 Основные этапы развития генетики До конца XIX в. в биологии выдвигались различные гипотезы о природе наследственности и изменчивости; основными предпосылками для формирования научных представлений об этих явлениях послужили данные наблюдений о сущности полового размножения у животных и растений, результаты опытов по гибридизации растений и развитие учения о клетке.

Основы современных представлений о наследственности и изменчивости организмов были впервые изложены чешским исследователем Менделем, который в 1865 г. установил основные закономерности поведения наследственных признаков в гибридном потомстве. Мендель, занимавшийся изучением гибридизации растений в Августинском монастыре в Брно на территории Чехии обнародовал на заседании местного общества естествоиспытателей результаты исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха. Работа «Опыты над растительными гибридам» была опубликована в трудах общества в 1866 г. Он сделал вывод о том, что формирование каждого наследственного признака определяется парой материальных наследственных задатков, один из которых организм получает от матери, другой — от отца, а конкретная реализация признака определяется взаимоотношениями доминантности (преобладания) — рецессивности (подавления) между материнским и отцовским задатками. При созревании половых клеток в каждую отдельную клетку попадает только по одному гену от каждой пары генов. Совокупность эмпирических и теоретических положений Менделя получила название «менделизм». Сформулированные им закономерности наследования позже получили название законов Менделя. При жизни его работы были малоизвестны и воспринимались критически, так как результаты опытов на другом растении, ночной красавице, на первый взгляд, не подтверждали выявленные закономерности, чем весьма охотно пользовались критики его наблюдений.

Дальнейшие исследования ботаников, зоологов и наблюдения врачей, проведенные независимо друг от друга, показали универсальное значение принципов менделизма для живой природы и человека.

В начале XX столетия формируется классическая генетика. Важнейшим шагом в ее развитии стал морганизм, построение Томасом Морганом и его сотрудниками в 1910—1915 гг. хромосомной теории наследственности, согласно которой гены располагаются на хромосомах в линейной последовательности и воспроизводятся при клеточных делениях, а парные хромосомы могут обмениваться своими участками (явление кроссинговера), что приводит к рекомбинации генетического материала. Следующим шагом было установление химической природы хромосомных генов. Советский генетик Н. К. Кольцов одним из первых развил представление об их макромолекулярной природе (1927 г.), а Н.В. Тимофеев-Ресовский с соавторами в середине 30-х гг. 20 в. вычислил примерный объем гена.

В самом начале 20 в. де Фризом была сформулирована мутационная теория, хотя экспериментальное получение мутаций долгое время не удавалось. Впервые в 1925 г. советские микробиологи Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов показали, что после облучения дрожжевых клеток ионизирующим излучением возникают разнообразные радиорасы, свойства которых воспроизводятся в потомстве. В 1927 г. Мёллер в точных опытах на дрозофилах с учетом дозы облучения установил возникновение новых наследственных мутаций. Позже И. А. Рапопорт и Ауэрбах открыли явление мутагенеза под влиянием химических веществ. Эти мутации могут быть и патологическими. К концу 80-х годов XX в. у человека выявлено свыше 4 тысяч мутантных фенотипов. Особое значение для слежения за частотой мутирования приобрел анализ появления мутаций по белкам крови. Мутационный анализ позволил изучить структуру гена гемоглобина и другие важные особенности строения, функции и организации генетического материала у человека.

В начале XX в. датский генетик Иоганнсен сформулировал понятия генотипа (совокупности наследственных задатков) и фенотипа (совокупности их проявлений); советский биолог И. И. Шмальгаузен ввел понятие «норма реакции генотипа», в пределах которой может варьировать его проявление в генотипе в ответ на изменение условий среды; советскими генетиками Б. Л. Астауровым и Н.В. Тимофеевым-Ресовским в 20—30-е гг. 20 в. были разработаны представления о комплексной обусловленности признаков организма взаимодействием генотипических, внутриорганизменных и внешнесредовых факторов.

В 20-е гг. 20 в. параллельно и независимо друг от друга советским ученым С. С. Четвериковым, английскими учеными Фишером и Холдейном и американским ученым Райтом были заложены основы популяционной генетики, а также сформулировано представление о генетической гетерогенности популяций, о роли системы скрещивания, колебаний численности, миграций организмов, мутаций репродуктивной изоляции и естественного отбора в изменениях генотипического состава популяций и их эволюции. Позже популяционная генетика составила основу так называемой синтетической теории эволюции.

Дальнейший этапы развития генетики получил наименование «эры ДНК». Эпоха молекулярной генетики начинается с появившихся в 1940—1950;х гг. работ, доказавших ведущую роль ДНК в передаче наследственной информации. Важнейшими шагами стали расшифровка структуры ДНК, триплетного кода, описание механизмов биосинтеза белка, обнаружение рестриктаз и секвенирование ДНК.

В 1944 г. американские генетики Бидл и Тейтем, обобщив опыт изучения биохимических мутантов у микроскопических грибов, предложили гипотезу о регуляции генами синтеза ферментов, выражаемую принципом «один ген — один фермент», что перевело феногенетику на биохимический, а затем и на молекулярный уровень.

В 1944 Эвери и Маккарти изолируют ДНК (тогда ее называли трансформирующим началом). Эйвери с соавторами показал, что генетический материал представляет собой ДНК. В 1950 Чаргафф показывает, что, хотя доля нуклеотидов в ДНК не постоянна, наблюдаются определённые закономерности (например, что количество аденина равно количеству тимина) (Правила Чаргаффа). Эксперимент Херши—Чейз доказывает, что генетическая информация бактериофагов и всех других организмов содержится в ДНК.

В 1953 г. Уотсон и Крик, основываясь на экспериментальных данных, полученных Розалиной Франклин, предложили модель строения ДНК, механизм ее репродукции и мутирования, а несколько позже создали теорию универсального генетического кода, с помощью которого генетическая информация, зашифрованная в ДНК, реализуется в структуре белка. Эти открытия означали переход генетики на молекулярный уровень исследования. В 1956 Тхио и Леван впервые верно устанавливают количество хромосом у человека в диплоидном наборе. Дальнейшие исследования показали, что генетический код состоит из триплетов. В 1970 при изучении бактерии Haemophilius influenzae обнаружены ферменты рестриктазы, которые позволяют вырезать и встраивать участки молекул ДНК.

В 70−80 гг XX стартовала так называемая «геномная эра», характеризующаяся выполнением ряда работ касательно функционорования и структуры отдельных генов и их совокупностей. В 1977 ДНК секвенирована впервые независимо Сенгером, Гилбертом и Максемом. Лаборатория Сенгера полностью секвенирует геном бактериофага Ц-X174. Позднее Мёллис открывает полимеразную цепную реакцию, позволяющую быстро и легко амплифицировать ДНК. В 1989 впервые секвенирован ген человека (Коллинс и Цуи), кодирующий белок CFTR. Дефекты в последовательности данного гена приводят к развитию опухолей. В 1995 впервые полностью секвенирован геном организма невирусной природы — бактерии Haemophilus influenzae, а затем у эукариотного организма — пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В 1998 полностью секвенирован геном многоклеточного эукариотного организма — нематоды C. elegans.

В первое десятилетие XXI века генетиками успешно завершен проект «Геном человека» по расшифровке человеческого генома, а Институтом Крейга Вентера впервые создана искусственная форма жизни, Mycoplasma mycoides.

Таким образом, современная генетика характеризуется углублением всех ее разделов до молекулярного уровня исследования, развитием сети междисциплинарных подходов, особенно в контакте с физико-химической биологией, кибернетикой, проникновение генетической методологии и подходов во все биологические науки, а также в антропологию и общую патологию человека.

1.2 Вклад отечественных ученых в развитие генетики Если не считать опытов по гибридизации растений в XVIII в., первые работы по генетике в России были начаты в начале XX в. как на опытных сельскохозяйственных станциях, так и в среде университетских биологов, преимущественно тех, кто занимался экспериментальной ботаникой и зоологией. После революции и гражданской войны 1917—1922 гг. началось стремительное организационное развитие науки. Генетика человека на этапе ее становления обозначалась в нашей стране в духе времени — евгеникой. Обсуждение возможностей евгеники, совпавшее по времени со стартом и быстрым развитием генетических исследований в России, опиралось на традиции русской медицины и биологии. Это обстоятельство сделало русское евгеническое движение уникальным: его деятельность, направляемая Н. К. Кольцовым и Ю. А. Филипченко, строилась вокруг исследовательской программы Ф. Гальтона, целью которой было раскрытие фактов наследственности человека и относительной роли наследственности и среды в развитии различных признаков. Н. К. Кольцов, Ю. А. Филипченко и их последователи занимались обсуждением проблем генетики человека и медицинской генетики, включая популяционный аспект проблемы. Благодаря этим особенностям русского евгенического движения, в 30-х годах был создан прочный фундамент медицинской генетики.

К концу 1930;х годов в СССР была создана обширная сеть научно-исследовательских институтов и опытных станций (как в Академии наук СССР, так и во Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени Ленина (ВАСХНИЛ)), а также вузовских кафедр генетики. Важным шагом к оформлению генетики как автономной области исследований явилось решение целого ряда просветительских задач и образования весной 1928 г. Общества по изучению расовой патологии и географического распределения болезней. Новое общество, обладая широким кругом интересов, представляло собой эскиз будущего Медико-генетического института. Его основал некоторое время спустя Соломон Григорьевич Левит (1894−1938). В 1930 г. кабинет был расширен до Генетического отделения при Медико-биологическом институте (МБИ). Левит стал директором института и переориентировал его на генетику человека. Медико-биологический институт с осени 1932 г. (после 8-месячного перерыва) снова «сосредоточился на разработке проблем биологии, патологии и психологии человека путем применения новейших достижений генетики и смежных дисциплин (цитологии, механики развития, эволюционного учения). Основные работы института пошли по трем руслам: клинико-генетическому, близнецовому и цитологическому.

Признанными лидерами направления были Н. И. Вавилов, Н. К. Кольцов, А С. Серебровский, С. С. Четвериков и др. В СССР издавали переводы трудов иностранных генетиков, в том числе Т. Моргана, Г. Мёллера, ряд генетиков участвовали в международных программах научного обмена. Американский генетик Г. Мёллер работал в СССР (1934—1937), советские генетики работали за границей. Н.В. Тимофеев-Ресовский — в Германии (с 1925 г.), Ф. Г. Добржанский — в США (с 1927 г.).

Среди работ отечественных ученых, опубликованных в этот период, следует отметить монографию Левита «Проблема доминантности у человека». В ней был доказан факт резкой фенотипической вариабельности большинства патологических мутантных генов человека. Левит пришел к выводу, что патологические гены человека являются, в своем большинстве, условно доминантными и отличаются низким проявлением в гетерозиготе. Этот вывод Левита противоречил теории эволюции Фишера, согласно которой вновь возникающие мутантные гены рецессивны. Однако в свете работ школы С. С. Четверикова и С. Н. Давиденкова 20-х и 30-х гг. следует признать гипотезу Левита более адекватной. Сотрудники МБИ перевели на русский язык пионерскую книгу Фишера «Генетическая теория естественного отбора», включавшую изложение его теории эволюции доминантности, но изъяли из перевода евгенические главы. К этому переводу проявлял интерес автор; материалы книги широко обсуждались и серьезно комментировались.

Большое значение МБИ придавал обследованию однои двуяйцовых близнецов. В конце 1933 г. было охвачено 600 пар близнецов, весной 1934 — 700 пар, а весной 1937 г. было 1700 пар (по размаху работ Институт Левита был на первом месте в мире). Близнецы изучались врачами всех специальностей; детям оказывалась необходимая медицинская помощь; при МБИ работал детский сад (на 7 пар близнецов, 1933 г.); по предложению С. Г. Левита, в консерватории училось пять пар близнецов (с целью выяснения эффективных методов обучения). К 1933 г. применение близнецового метода дало результаты в выяснении роли наследственности и среды в физиологии и патологии ребенка, в изменчивости электрокардиограммы, некоторых психических признаков и т. д. Другой круг вопросов касался корреляций различных функций и признаков организма; третий был посвящен выяснению сравнительной эффективности различных способов обучения и целесообразности того или иного воздействия. Н. С. Четвериков и М. В. Игнатьев занимались разработкой вариационно-статистических методов для интерпретации получаемых данных. Была предпринята попытка точного количественного учета роли факторов наследственности и воздействия среды, как создающих внутрисемейную корреляцию, так и не создающих ее. Все это имело важные теоретические и практические последствия.

Среди конкретных работ МБИ было замечательное теоретическое исследование В. П. Эфроимсона 1932 г. Анализируя равновесие между накоплением мутаций и интенсивностью отбора, он рассчитал темп мутационного процесса у человека. Вскоре В. П. Эфроимсон был арестован по политическому обвинению, а в 1933 г. осужден ОГПУ по ст. 58−1 на три года ИТЛ. Через отца он передал из тюрьмы текст для зачтения на семинаре. Статья не была опубликована. Затем Холдейн независимо сделал аналогичную работу. С. Г. Левит и другие докладчики, каждый из которых внес оригинальный вклад в общее дело, определили предмет новой автономной области исследований. 15 мая 1934 г. новая наука получила легитимное наименование: «медицинская генетика» .

В 1930;е гг. в рядах генетиков и селекционеров наметился раскол, связанный с энергичной деятельностью Т. Д. Лысенко. По инициативе генетиков был проведён ряд дискуссий (наиболее крупные — в 1936 и 1939 г.), направленных на борьбу с подходом Лысенко. На рубеже 1930—1940;х гг. ряд видных генетиков были арестованы, многие расстреляны или погибли в тюрьмах, в том числе, Н. И. Вавилов — выдающийся отечественный биолог и автор современной теории селекции; разработал учение о центрах происхождения культурных растений; сформулировавший закон гомологических рядов; разработавший учение о виде как системе.

В 1948 году на августовской сессии ВАСХНИЛТ. Д. Лысенко, пользуясь поддержкой И. В. Сталина, объявил генетику лженаукой. Лысенко воспользовался некомпетентностью партийного руководства в науке, «пообещав партии» быстрое создание новых высокопродуктивных сортов зерна («ветвистая пшеница») и др. С этого момента начался период гонений на генетику, который получил название «лысенковщины» и продолжался вплоть до снятия Н. С. Хрущева с поста генерального секретаря ЦК КПСС в 1964 г. Лично Т. Д. Лысенко и его сторонники получили контроль над институтами отделения биологии АН СССР, ВАСХНИЛ и вузовскими кафедрами. Были изданы новые учебники для школ и вузов, написанные с позиций «Мичуринской биологии». Генетики вынуждены были оставить научную деятельность или радикально изменить профиль работы. Некоторым удалось продолжить исследования по генетике в рамках программ по изучению радиационной и химической опасности за пределами организаций, подконтрольных Т. Д. Лысенко и его сторонникам.

После открытия и расшифровки структуры ДНК, физической базы генов (1953 г.), с середины 1960;х г. началось восстановление генетики. Министр просвещения РСФСР В. Н. Столетов инициировал широкую дискуссию между лысенковцами и генетиками, в результате было опубликовано много новых работ по генетике. В 1963 г. вышел в свет университетский учебник М. Е. Лобашёва «Генетика», выдержавший впоследствии несколько изданий. Вскоре появился и новый школьный учебник «Общая биология» под редакцией Ю. И. Полянского, используемый, наряду с другими, и по сей день. В 1964 г., еще до снятия запрета на генетику, вышел в свет первый современный отечественный учебник Эфроимсона «Введение в медицинскую генетику». В 1969 г. был организован Институт медицинской генетики АМН СССР, ядро которого составили сотрудники отдела Н.В. Тимофеева-Ресовского и лабораторий Прокофьевой-Бельговской и Эфроимсона. Возник своего рода преемник Медико-генетического института. При организации нового ИМГ планировалось создание специального журнала, однако замысел не был осуществлен. Первый с 30-х годов журнал, посвященный изучению человека («Человек»), был создан в 1990 г. при Институте человека АН СССР.

Таким образом, отечественные исследователи внесли значительный вклад в развитие такого раздела биологии как генетика. Этот вклад мог бы быть еще более весомым, если бы им были созданы столь же благоприятные условия для разработки собственных оригинальных идей, как и зарубежным генетикам Видимо в этим кроется одна из причин того, что современная российская генетика значительно отстала в своем развитии от западной науки.

генетика гибридологический хромосомный мутация ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МУТАЦИОННОЙ ТЕОРИИ

2.1 Гибридологический метод Г. Менделя Как уже говорилось выше, основателем генетики считается чешский монах и естествоиспытатель Грегор Мендель. Главная его заслуга состоит в разработке и использовании оригинального гибридологического метода для анализа явлений наследования.

До открытий Менделя признавалась теория так называемой слитной наследственности. Суть этой теории состояла в том, что при оплодотворении мужское и женское «начало» перемешивались, «как краски в стакане воды», давая начало новому организму. Мендель заложил фундамент представлений о дискретном характере наследственного вещества и о его распределении при образовании половых клеток у гибридов.

Основные результаты семилетних экспериментов по изучению законов наследования Мендель опубликовал в бюллетене общества естествоиспытателей в г. Брюнне (ныне г. Брно, Чехия) в 1866 г. Исследование называлось «Опыты над растительными гибридами». Однако эта публикация не привлекла внимания современников. Только через 35 лет, в 1900 г., когда законы наследования были вновь открыты сразу тремя ботаниками — К. Корренсом, Э. Чермаком и Г. Де Фризом) они получили всеобщее признание. К настоящему времени правильность законов Менделя подтвержден на громадном числе растительных и животных организмов, в том числе и на человеке. Открытие Менделем законов, отражают процесс передачи наследственной информации и принципа дискретности (генной детерминации наследственных признаков), явилось первым экспериментальным доказательством существования наследственности как реального материального явления.

Гибридологический метод — это система специальных скрещиваний для получения гибридов с целью анализа характера наследования признаков.

Мендель объектом своих экспериментов выбрал растение, полностью отвечающее поставленной задаче: оно имело надежную защиту от посторонней пыльцы во время цветения и обладало нормальной плодовитостью. Такими растениями были различные сорта самоопыляющегося посевного гороха (Pisum sativum).

Суть разработанного Менделем метода состоит из нескольких основных постулатов.

Постулат 1. Подбор исходных «константно различающихся» родительских пар. Для скрещивания использовались растения, отличавшиеся некоторыми признаками: например, окраской цветка (у одного растения пурпурная, у другого — белая), длиной стебля (у одного растения около 2 м, у другого — до 60 см) и т. д. В своих экспериментах Мендель изучал наследование 7 альтернативных пар признаков: окраски цветка, расположения цветков (пазушное или концевое), высоты растений, характера поверхности горошин (гладкая или морщинистая), окраски горошин (желтая или зеленая) и т. д. В каждом поколении Мендель вел учет альтернативных признаков отдельно по каждой паре. До начала экспериментальных скрещиваний Мендель в течение нескольких лет проводил работу на получение «чистых линий», т. е. сортов, постоянно и устойчиво воспроизводящих анализируемый признак. (Термин «чистые линии» возник много позднее, датский генетик — селекционер В. Иогансен так назвал группу особей с однородной наследственностью.)

Постулат 2. Количественный анализ полученных гибридов, отличающихся по отдельным признакам от каждой родительской пары.

Постулат 3. Индивидуальный анализ потомства от каждого скрещивания в ряду поколений. Революционное новшество данного методического приема заключалось в учете и анализе потомства, полученного путем размножения всех без исключения гибридных особей.

Постулат 4. Применение статистических методов оценивания результатов эксперимента. Г. Мендель имел в практику генетического анализа систему записей скрещивания, в которой символ P обозначает родителей (лат. parenta — родители); F — потомков от скрещивания (лат. filii — дети). Позднее стали использовать нижний цифровой индекс при символе F для обозначения последующих поколений. Например, F — обозначает потомство от скрещивании родительских форм; F — обозначает потомство от скрещивания гибридов первого поколения и т. д.; символ «x» означает скрещивание особей.

Гениальность законов Менделя заключается в их простоте. Строгая и элегантная модель, построенная на основе этих законов, служила генетикам точкой отчета на протяжении многих лет. Однако в ходе дальнейших исследований выяснилось, что законам Менделя подчиняются только относительно немногие генетически контролируемые признаки. Оказалось, что у человека большинство и нормальных, и патологических признаков детерминируются иными генетическими механизмами, которые стали обозначать термином «неменделевская генетика». Таких механизмов существует множество: хромосомные аберрации (синдром Дауна); наследование, сцепленное с полом (цветовая слепота); импринтинг (синдромы Прадера—Вилли, Энгельмана); появление новых мутаций (развитие раковых заболеваний); экспансия (инсерция) повторяющихся нуклеотидных последовательностей (миотоническая дистрофия); наследование количественных признаков (сложные поведенческие характеристики).

2.2 Хромосомная теория наследственности Т. Моргана. Понятие о гене В 1900 году независимо друг от друга трое ботаников — К. Корренс (Германия), Г. де Фриз (Голландия) и Э. Чермак (Австрия) обнаружили в своих опытах открытые ранее Менделем закономерности. Затем, натолкнувшись на его работу, они вновь опубликовали ее в 1901 году. Это способствовало глубокому интересу к количественным закономерностям наследственности. К тому времени цитологи обнаружили материальные структуры, роль и поведение которых могли быть однозначно связаны с менделевскими закономерностями. Подобную связь усмотрел в 1903 году В. Сэтгон. Получили обоснование воззрения Менделя о наследственных факторах, о наличии одинарного набора факторов в гаметах и двойного — в зиготах. Годом ранее Т. Бовери представил доказательства в пользу участия хромосом в процессах наследственной передачи. Он показал, например, что нормальное развитие морского ежа возможно лишь при наличии всех хромосом. Установлением того факта, что именно хромосомы несут наследственную информацию, Сэттон и Бовери положили начало новому направлению генетики — хромосомной теории наследственности.

Хромосомная теория наследственности, одно из обобщений в генетике, утверждающее, что наследственные факторы (гены) расположены в хромосомах, передача которых от родителей потомкам обеспечивает в поколениях преемственность свойств и признаков у особей одного вида. Основы хромосомной теории заложили работы немецкого биолога Т. Бовери (1902;1907) и американского цитолога У. Сеттона (1902;1903), которые независимо друг от друга предположили, что гены расположены в хромосомах, и связали закономерности Менделя, описывавшие поведение наследственных факторов, с поведением хромосом во время мейоза и при оплодотворении. Таким образом, были вскрыты соответствия в данных генетики и цитолог ии. Детальная разработка хромосомной теории была произведена Т. Морганом и его учениками (начиная с 1910 г.). Изучая наследование окраски глаз у плодовой мушки дрозофилы, Морган показал, что цвет глаз — признак, сцепленный с полом, и что по характеру его наследования ген, определяющий этот признак, должен находиться в половой хромосоме (Х-хромосоме). Так экспериментально была доказана связь конкретного гена с конкретной хромосомой. В дальнейшем было установлено, что многие признаки наследуются совместно — как один комплекс. Это означало, что контролирующие их гены образуют группы сцепления. Число таких групп сцепления оказалось равным гаплоидному числу хромосом, постоянному для каждого вида организмов.

Затем Морган обнаружил, что сцепленное наследование признаков может нарушаться в результате кроссинговера во время мейоза. На основании детального исследования сцепления генов и кроссинговера (на материале различных мутаций у дрозофилы) Морган и его сотрудники разработали методы определения взаимного положения различных генов на хромосомах и построения генетических карт хромосом. Хромосомная теория нашла подтверждение и дальнейшее развитие в открытии химической природы гена, выяснении строения хромосом и в других достижениях молекулярной генетики.

В кратце, основные положения хромосомной теории наследственности таковы.

Гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален. Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах. Гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.

Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, благодаря нему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. При этом сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами.

Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом — кариотипом. Итак, хромосомная теория строилась на следующих исходных абстракциях: хромосома состоит из генов; гены расположены на хромосоме в линейном порядке; ген — неделимая корпускула наследственности, «квант»; в мутациях ген изменяется как целое. Эта теория была первой обстоятельной попыткой теоретической конкретизации идей, заложенных в законах Менделя.

2.3 Мутации как нарушения последовательности чередования нуклеиновых оснований в структуре гена Традиционно, под геном в молекулярной биологии понимают участок ДНК, кодирующий белковую молекулу. Ген — это ограниченный участок геномной ДНК (или РНК для некоторых вирусов) отвечающий за определенную и специфическую функцию. За время применения методов генной инженерии представления о гене существенно изменились, однако незыблемым остается основной принцип, заложенный в понятие гена как фрагмента нуклеиновой кислоты, в последовательности нуклеотидов которой закодирована информация о последовательности нуклеотидов в другой нуклеиновой кислоте или аминокислотной последовательности в белке. Изменение фенотипа организма однозначно связано с мутационными изменениями генотипа. Генотипические различия, как и считалось ранее, всегда передаются от родителей потомству, т. е. носят наследуемый характер .

Наследственная информация всех живых организмов, за исключением некоторых вирусов, хранится в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты или ДНК.

ДНК содержится в основном в ядрах клеток и представляет собой полинуклеотидную цепь. Мономерами, то есть отдельными структурными элементами этой цепи являются мононуклеотиды — одновременно сложные эфиры и гликозиды моносахарида в, D-2-дезоксирибофуранозы (дезоксирибозы). В состав мононуклеотидов входят также остаток ортофосфорной кислоты и нуклеиновые основания (иногда их называют азотистыми основаниями). Существует 5 основных типов нуклеиновых оснований: аденин, тимин, урацил, гуанин, цитозин. ДНК обычно состоит из двух нитей, закрученных одна вокруг другой, формируя спираль. Каждая цепь является линейным полимером состоящим из четырех типов мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид с точки зрения химика есть сложный эфир спиртовой OH-группы рибозы или дезоксирибозы и ортофосфорной кислоты и N-гликозид нуклеинового основания и того же самого моносахарида. К пуриновым нуклеиновым основаниям относят аденин (А) и гуанин (G), к пиримидиновым — тимин (Т), урацил (У) и цитозин ©.

Остов молекулы ДНК состоит из сахара и фосфата соединенных последовательно. Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых колеблется от 25 тысяч до 1 млн. Именно нуклеиновые кислоты играют основную роль в передаче наследственной информации (генетических признаков) и управляют процессом биосинтеза белка.

ДНК имеет сложнейшую организацию или структуру: первичную, вторичную и т. д., которая завершается формированием настоящих хромосом вместе с особыми белками.

Важной характеристикой нуклеиновых кислот служит нуклеотидный состав, то есть набор и соотношение нуклеотидных компонентов. В понятие первичной структуры ДНК входит не только состав, но и нуклеотидная последовательность — порядок чередования нуклеотидных звеньев в полинуклеотидной цепи. Именно при изменении порядка чередования остатков мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи происходят мутации. Под вторичной структурой ДНК понимают пространственную организацию полинуклеотидной цепи. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик, обобщив работы своих современников, описали вторичную структуру ДНК в виде двойной спирали. Она характерна для большинства молекул ДНК, хотя в настоящее время известны и другие пространственные формы ДНК. Согласно Уотсону и Крику, молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали. Между основаниями разных цепей возникают так называемые комплементарные взаимодействия с помощью водородных связей. Формирование двойной спирали происходит за счет водородных связей расположенных друг против друга оснований. Аденин взаимодействует с тимином образуя «слабую связь» (две водородных связи), а гуанин с цитозином образуя «сильную связь» (три водородных связи).

Нуклеотидная последовательность ДНК может меняться под действием ряда факторов: замены 1 пары нуклеиновых оснований на другую, образование водородных связей с нетипичными нуклеиновыми основаниями и т. д. Другой причиной возникновения мутаций служит действие химических факторов (например азотистой кислоты и ее солей) и разных видов излучений.

Мутацией (от лат. mutatio — изменение, перемена) называют любое изменение в последовательности ДНК. Обычно ДНК точно копируется при процессе репликации и сохраняется неизменной между двумя последовательными репликациями. Но изредка происходят ошибки и последовательность ДНК меняется — эти ошибки называются мутациями. Мутация есть устойчивое наследуемое изменение ДНК, независимо от его функциональной значимости. Это определение подразумевает изменение в первичной нуклеотидной последовательности.

Мутации в соматических клетках, возможно, вызывают рак, процессы старения и другие, менее существенные изменения в организме. Мутации в половых клетках родителей наследуются детьми.

Основные положения мутационной теории Коржинского и Де Фриза можно свести к следующим пунктам :

Мутации появляются внезапно, как дискретные изменения признаков Новые формы устойчивы В отличие от наследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они являют собой качественные скачки изменений Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследуемых особей Сходные мутации могут возникать неоднократно Исследования де Фриза проводились на различных видах Oenothera, которые в ходе эксперимента не выщепляли мутации, а показывали сложную комбинативную изменчивость, поскольку эти формы являлись сложными гетерозиготами по транслокациям. Строгое доказательство возникновения мутаций принадлежит В. Иоганнсену на основе экспериментов на самоопыляющихся линиях фасоли и ячменя, были исследованы масссы семян, мутационное изменение этого признака и обнаружил В. Иоганнсен (1908;1913 гг). Примечательно то, что даже имея мутационных характер, масса семян распределялась относительно некоторых средних значений, тем самым ставя под сомнение третий пункт мутационной теории.

С точки зрения эволюции мутации обеспечивают достаточное генетическое многообразие, чтобы позволить видам приспособиться к условиям окружающей среды путем естественного отбора.

Каждый генетический локус характеризуется определенным уровнем изменчивости, т. е. присутствием различных аллелей, или вариантов последовательностей ДНК, у разных индивидуумов. Применительно к гену, аллели разделяются на две группы — нормальные, или аллели дикого типа, при которых функция гена не нарушена, и мутантные, приводящие к нарушению работы гена. В любых популяциях и для любых генов аллели дикого типа являются преобладающими. Под мутацией понимают все изменения в последовательности ДНК, независимо от их локализации и влияния на жизнеспособность особи.

Мутации могут захватывать участки ДНК разной длины. Это может быть единственный нуклеотид, тогда мы будем говорить о точковой мутации, или же протяженный участок молекулы. Кроме того, учитывая характер изменений, мы можем говорить о заменах нуклеотидов, делециях и вставках (инсерциях) и о инверсиях.

Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом. В зависимости от факторов, вызывающих мутации, их разделяют на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды. Спонтанные мутации в эукариотических клетках возникают с частотой 10−9-10−12 на нуклеотид за клеточную генерацию.

Индуцированными называют мутации, возникающие в результате мутагенных воздействий в экспериментальных условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды. Среди важнейших мутагенных факторов, прежде всего, необходимо отметить химические мутагены — органические и неорганические вещества, вызывающие мутации, а также ионизирующее излучение.

Между спонтанными и индуцированными мутациями нет существенных различий, Большинство спонтанных мутаций возникает в результате мутагенного воздействия, которое не регистрируется экспериментатором .

Мутации чрезвычайно разнообразны. Это могут быть крупномасштабные изменения структуры хромосом (затрагивающие миллионы нуклеотидов); к ним относят дупликации, делеции и транслокации фрагмента одной хромосомы на другую. Мутации могут затрагивать как весь геном (3 млрд пар нуклеотидов), например при триплоидии, когда появляется третий набор хромосом, так и всего один нуклеотид (делеция, вставка или замена нуклеотида). Мутации в одном или нескольких нуклеотидах называют точечными. Делеции или вставки одного или двух нуклеотидов в кодирующей области вызывают мутации со сдвигом рамки считывания, то есть они изменяют разбиение мРНК на кодоны так, что каждый следующий кодон этого гена считывается неправильно. Эти мутации меняют аминокислотную последовательность в белке и часто вызывают преждевременное окончание его синтеза, если сдвиг рамки считывания приводит к образованию терминирующего кодона.

При замене одного нуклеотида в кодирующей области возможны следующие точечные мутации .

Несмысловая мутация (около 23% случайных замен нуклеотидов в кодирующих последовательностях), при которой замена нуклеотида в ДНК и соответствующее изменение кодона мРНК не приводит к изменению последовательности аминокислот в молекуле белка (например, замена кодона УУУ на кодон УУЦ, который тоже соответствует фенилаланину);

Миссенс-мутация (примерно 73% случайных замен нуклеотидов в кодирующих последовательностях), при которой замена нуклеотидов в ДНК и соответствующее изменение кодона мРНК приводит к замене одной из аминокислот в молекуле белка (например, появление кодона лейцина УУА вместо кодона фенилаланина УУУ);

Нонсен-мутация (примерно 4% случайных замен нуклеотидов в кодирующих последовательностях), при которых замена нуклеотида превращает кодон в один из терминирующих кодонов (например, появление терминирующего кодона УАА вместо кодона тирозина УАУ).

Крупные делеции затрагивают часть гена, весь ген или группу соседних генов. Синдромы, вызванные делецией группы соседних генов, описаны в Скрайвером с соавторами. Эти делеции прерывают или приводят к потере кодирующей части гена, и синтеза соответствующего белка не происходит. Делеция может также привести к слиянию кодирующих последовательностей двух генов и образованию химерного белка. Такие мутации часто происходят при неравновесном кроссинговере между тандемными повторами гомологичных генов, например генов глобина.

Таким образом, наследственная изменчивость обусловлена возникновением разных типов мутаций и их комбинаций в последующих скрещиваниях ЗАКЛЮЧЕНИЕ Генетика — наука, изучающая наследственность и изменчивость, свойства, присущие всем живым организмам. Ее истоки, как и любой другой науки, следует искать в практике. С тех пор, как люди занялись разведением животных и растений, они стали понимать, что признаки потомков зависят от свойств их родителей. Отбирая и скрещивая лучших особей, человек из поколения в поколение создавал породы животных и сорта растений с улучшенными свойствами. Бурное развитие племенного дела и растениеводства во второй половине XIX в. породило повышенный интерес к анализу феномена наследственности. Исследованием этой области биологической науки занимались многие отечественные и зарубежные ученые — Морган, Де Фриз, Кольцов, Тимофеев-Ресовский и др.

Законы генетики, открытые Менделем, Морганом и плеядой их последователей, описывают передачу признаков от родителей к детям. Они утверждают, что все наследуемые признаки определяются генами. Гены — это определенные фрагменты ДНК. Таким образом, на сегодняшний день ген можно было бы определить как наследуемую часть генома, оказывающую влияние на какой-либо фенотипический признак. Эта формулировка по смыслу близка к классическому определению «один ген — один признак» .

На основе генетических исследований возникли новые области знания (молекулярная биология, молекулярная генетика), соответствующие биотехнологии (такие, как генная инженерия) и методы (например, полимеразная цепная реакция), позволяющие выделять и синтезировать нуклеотидные последовательности, встраивать их в геном, получать гибридные ДНК со свойствами, не существовавшими в природе. Получены многие препараты, без которых уже немыслима современная медицина, разработаны принципы выведения трансгенных растений и животных, обладающих признаками разных видов.

ЛИТЕРАТУРА

Глазко В. И., Глазко В. Г. Толковый словарь терминов по общей и молекулярной биологии, общей и прикладной генетике, селекции, ДНК-технологии и биоинформатике [Текст]: / В. И. Глазко, В. Г. Глазко. — в 2-х т. — Т. 1. — М.: Академкнига, 2008. — 672 с.

Добжанский Ф. Г. Генетика и происхождение видов [Текст]: Научное издание/ Ф. Г. Добжанский — М.: Институт компьютерных исследований, 2010. — 384 с.

Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика [Текст]: Учеб. пособие / И. Ф. Жимулёв; Под ред. Е. С. Беляева, А. П. Акифьева. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2003. — 479 с.

Иванов В. И. Генетика [Текст]: Учебник/ В. И. Иванов. -М.: Академкнига, 2007. — 638 с.

Клаг У., Каммингс М. Основы генетики [Текст]: Учебник/ У. Клаг, М. Каммингс; пер. с англ. А. Лушниковой, С. Мусаткина. — М.: Техносфера, 2009. — 896 с.

Морозов С.А., Демикова Н. С., Асанов А. Ю. Основы генетики и наследственные нарушения развития у детей [Текст]: / С. А. Морозов, Н. С. Демикова, А. Ю. Асанов; Под ред. А. Ю. Асанова — М.: Академия, 2003 — 224 с.

Притчард Д. Корф Б. Наглядная медицинская генетика [Текст]: / Д. Притчард, Б. Корф, пер. с англ. Н. Бочкова. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. — 200 стр.

Щелкунов С. И. Генетическая инженерия [Текст]: Учеб. пособие / С. Н. Щелкунов. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2004. — 496 с.