ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЛЕЛЬНЫХ ГЕНОВ - НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ - ГЕНЕТИКА

Различные состояния гена, при которых признак выражается по-разному, называются аллелями. Важно помнить, что общее количество возможных аллелей далеко не всегда ограничивается одной парой, нередко имеет место множественный аллелизм. При этом в диплоидной клетке одновременно могут присутствовать только два аллеля гена, один из которых получен от отца, а другой от матери. Если аллели одинаковые, то генотип считается гомозиготным, если разные - то гетерозиготным (понятия «гомозиготность» и «гетерозиготность» были предложены В. Бэтсоном в 1902 г.). Гаметы содержат гаплоидный набор хромосом, соответственно они несут только по одному аллелю каждого гена (правило чистоты гамет, также сформулированное В. Бэтсоном). В зависимости от количества признаков в гетерозиготном состоянии число различных типов образующихся гамет выражается формулой 2n, где n - число признаков у гетерозиготной особи.

Взаимодействие аллелей одного гена осуществляется по принципу доминирования (т. е. преобладания действия определенного аллеля в аллеломорфной паре), который может выражаться тремя способами: полное доминирование, неполное доминирование и кодоминирование.

При полном доминировании в фенотипе гетерозигот проявляется только один аллель из аллеломорфной пары. Такой аллель называют доминантным и обозначают заглавной буквой, например А. Другой аллель может проявиться в фенотипе лишь при гомозиготном генотипе. Этот аллель называется рецессивным и обозначается строчной буквой, напримера (понятия «доминантный» и «рецессивный» были предложены Менделем). Соответственно, гомозиготный генотип обозначается АА или аа, а гетерозиготный - Аа. В качестве примера можно привести наследование окраски семян гороха. При этом желтая окраска является доминантной, и при наличии такого аллеля семена оказываются желтыми как у гомозигот, так и у гетерозигот. Тогда как зеленая окраска возможна лишь у гомозигот.

При неполном доминировании самостоятельное выражение аллеля возможно только у гомозигот. В этом случае выделить доминантные и рецессивные аллели сложнее, поскольку у гетерозигот проявляются оба аллеля. В результате признак приобретает промежуточное состояние между двумя аллелями. Например, если в гомозиготном состоянии один аллель определяет красную окраску цветка, а другой белую, то в гетерозиготном состоянии у гибрида проявится розовая окраска. Это пример промежуточного наследования.

При кодоминировании возможно объединение у гетерозигот двух аллелей, которые отдельно друг от друга являются доминантными. Оказавшись вместе, оба аллеля совместно участвуют в выражении признака, который при этом приобретает не промежуточное значение (как в случае неполного доминирования), а совершенно самостоятельное. Кодоминирование имеет место при наследовании группы крови и выражается в следующем. В зависимости от наличия в мембранах эритроцитов крови агглютиногенов и агглютининов в плазме выделяют четыре группы крови системы АВО: О, А, В и AB. Этот признак определяют три аллеля одного гена: i, IA и IB. При этом аллель i является рецессивным и проявляется в фенотипе только в состоянии ii (группа крови О). Аллели IA и IB в генотипах IAi и IBi являются доминантными по отношению к аллелю i (при этом генотипы IAIA и Iai определяют группу А; генотипы IBIB и IBi определяют группу В), но в генотипе IAIB они кодоминантны и проявляются совместно, образуя отдельную группу крови -АВ.

Наследование при полном доминировании. Моногибридное скрещивание. Моногибридным называют скрещивание, при котором родительские организмы различаются по одной паре аллелей. Первым эксперименты по моногибридному скрещиванию провел Мендель. Собственно, с этих классических опытов и началась генетика. Остановимся на них подробнее.

Для своих экспериментов Мендель избрал горох. Основными мотивами для этого стало разнообразие сортов гороха, каждый из которых отличался от других четко различимыми признаками; самоопыление гороха, из-за чего генеративные органы в его цветке надежно скрыты околоцветником. По этой причине можно было не опасаться случайного перекрестного опыления неучтенной пыльцой, зато легко можно проводить искусственное опыление согласно замыслу эксперимента. Кроме того, горох легко выращивать.

Из многих чистых линий (потомство чистых линий однотипно и не дает расщепления) Мендель выбрал 22 с хорошо выраженными контрастными различиями. На них он поэтапно изучал характер наследования семи признаков: окраска (желтая и зеленая) и форма (гладкая и морщинистая) семян, окраска плодов (зеленые и желтые) и их форма (плоские и выпуклые с перетяжками), расположение цветков (пазушные и верхушечные) и их окраска (красные и белые), высота побега (высокие и карликовые). В своей работе Мендель использовал созданный им гибридологический метод (его основные положения мы привели выше). Полученное ранее математическое образование позволило ему грамотно провести статистический анализ полученного цифрового материала.

Удачей Менделя явилось то, что у гороха в диплоидном наборе всего семь пар хромосом и в каждой из них находятся гены, кодирующие один из изучаемых им признаков. Но сам Мендель об этом не знал, так как нахождение носителя наследственной информации тогда было неизвестно.

Для того чтобы исключить несанкционированное самоопыление, Мендель своевременно удалял тычинки, после чего переносил пыльцу с другого растения. Так он искусственно подбирал родительские пары и искусственно их скрещивал. В дальнейшем естественным образом происходило оплодотворение семязачатков исследуемых растений гороха, после чего развивались плоды с семенами полученных гибридов. Их исследование показало, что у всех гибридов присутствовал признак только одного из родителей. Позднее (1902) Бэтсон и Сондерс предложили обозначать гибриды первого поколения - F1, родители обозначаются Р. На основании этих данных было сформулировано правило доминирования и первый закон Менделя - закон единообразия гибридов первого поколения. Согласно этому закону гибриды первого поколения имеют одинаковое проявление изучаемого признака, причем проявляется вариант признака только одного родителя - доминантный.

Продолжая свои эксперименты, Мендель допустил самоопыление у гибридов первого поколения и в результате этого получил гибриды второго поколения - F2. Внимательно их изучая, Мендель обнаружил, что большая часть из них несет тот же признак одного из родителей, который безальтернативно присутствовал у гибридов первого поколения. Однако наряду с этим у значительно меньшей части гибридов проявился «исчезнувший» признак другого родителя, который отсутствовал у всех гибридов F1 (рис. 383). Проведя статистический анализ гибридов второго поколения, Мендель обнаружил, что варианты альтернативного проявления исследуемых признаков у них встречаются в соотношении 3 : 1.

Но, может быть, на выражение признака оказывает воздействие пол родителей? Для большей достоверности Мендель также производил реципрокные скрещивания. Их смысл состоит в том, что производится два скрещивания родителей, несущих изучаемый признак - допустим, окраску цветка. В первом скрещивании пыльца с красных цветков искусственно переносилась на рыльца белых цветков. Во втором производили рокировку родителей - пыльца с белых цветков переносилась на красные цветки. Проделав это, ученый убедился, что результаты статистически не изменились.

Мендель пришел к выводу, что каждое растение содержит по два внутреннего наследственного фактора (которые позднее были названы генами), определяющего проявление признака. У чистых линий эти факторы одинаковые, а у гибридов разные, причем от каждого из родителей растения получили по одному фактору через гаметы. Соответственно, гаметы содержат по одному фактору признака. Оказавшись у гибридов вместе, наследственные факторы не сливаются, а существуют отдельно, однако проявляется только один фактор - доминантный, а другой - рецессивный - остается неактивным. Дальнейшее размножение гибридов приводит к повторному появлению признака, отсутствующего у гибридов первого поколения, в соотношении 3:1. Это происходит в результате того, что в гаметы попадает только по одному внутреннему фактору и дальнейшее случайное слияние гамет, несущих эти факторы, приводит к образованию организмов либо с двумя одинаковыми факторами, либо с двумя разными. При этом рецессивный признак проявляется только у тех растений, у которых таких факторов два. Если в организме содержится по два доминантных фактора или один доминантный и один рецессивный, в любом случае проявляется доминантный фактор. Позднее В. Иогансен (1909) предложил называть наследственные факторы генами, а их альтернативные варианты - аллелями (для облегчения восприятия мы также будем здесь употреблять эти и другие термины современной генетики, обозначая по возможности время их появления в научной литературе). Логичным итогом этих выводов стал второй закон Менделя: закон расщепления, по которому в потомстве гибридов первого поколения происходит расщепление в проявлении изучаемого признака - у части потомства проявляется доминантный вариант признака, а у другой части - рецессивный.

Эти законы Менделя легко проиллюстрировать графически:

Как видно из приведенной схемы, в результате скрещивания гомозигот (чистых линий, при размножении в себе не дающих расщепления) все 100% гибридов первого поколения(F1) имеют гетерозиготный генотип и одинаковый фенотип. При моногибридном скрещивании гетерозиготы дают два типа гамет: (А) и (а). Случайная встреча гамет при оплодотворении дает три типа генотипа: АА (25%), Аа (50%) и аа (25%), которые дают два типа фенотипа: генотипы АА и Аа проявляют доминантный фенотип, а генотип аа - рецессивный. Легко подсчитать, что доминантный фенотип будут иметь 75% гибридов F2, а рецессивный только 25%, что в итоге и дает менделевское расщепление 3:1.

Для облегчения записи возможных генотипов английский генетик Р.К. Пеннет предложил использовать таблицу, которая получила название решетка Пеннета. Ее смысл состоит в том, что по вертикали в крайнем левом столбце в отдельных ячейках записываются аллели, содержащиеся во всех возможных типах женских гамет, а в ячейках верхней строки - мужских. Сообразно этому в ячейки, расположенные на пересечении, вносят аллели соответствующего генотипа. Например, если скрещиваются особи с генотипами Аа х Аа, то каждая из них продуцирует гаметы двух типов: А и а. Графически это будет выглядеть следующим образом:

Как видно, генотип организма с рецессивным выражением признака определить несложно - он всегда гомозиготен. Но как быть в случае, если в фенотипе проявился доминантный аллель? Каков его генотип, ведь доминантный аллель проявляется не только у гомозигот, но и у гетерозигот. Используя анализирующее скрещивание, можно точно и надежно определить генотип интересующей особи с доминантным фенотипом (рис. 384). Его сущность заключается в скрещивании такой особи с родительской особью, гомозиготной по рецессивному аллелю. Если генотип был АА, то, скрещиваясь с аа, все потомство будет гетерозиготами Аа и все будут иметь доминантный фенотип. Если исследуемая особь была гетерозиготной и имела генотип Аа, то половина потомства будет иметь генотип Аа с доминантным фенотипом, а половина - генотип аа с рецессивным фенотипом.

Дигибридное и полигибридное скрещивание. Проведя первую серию опытов и исследовав характер наследования отдельных признаков, Мендель стал изучать механизмы их совместного наследования. Для этого он также использовал уже знакомый нам гибридологический метод. Скрещивание родительских пар, различающихся между собой не по одному, а сразу по многим признакам, называется полигибридным скрещиванием. Вначале Мендель изучил наследование одновременно двух альтернативных признаков, такое скрещивание называется дигибридныьм. Рассмотрим один из опытов Менделя, в котором он скрещивал гомозиготные растения, имеющие желтые и гладкие семена (ААВВ), с также гомозиготными растениями, но с зелеными и морщинистыми семенами (ааbb). Ранее Мендель уже установил, что желтый цвет и гладкая поверхность семян доминируют над зеленой окраской и морщинистой поверхностью. Как и в случае с моногибридным скрещиванием, в F1 проявились лишь доминантные аллели. Однако в F2 фенотипов оказалось гораздо больше, чем ожидаемых родительских. При этом, наряду с имеющимися у родителей признаками (желтой окраской гладких семян и зеленой морщинистых), у гибридов второго поколения появились новые сочетания признаков: часть семян имела желтую окраску наряду с морщинистой поверхностью, а еще одна часть - зеленую окраску в сочетании с гладкой поверхностью. Стараясь объяснить полученные результаты, Мендель отдельно просчитал частоту проявления каждого признака: желтая окраска, зеленая окраска, гладкая поверхность, морщинистая поверхность. Анализ показал, что независимо от формы семян на каждые три семени желтой окраски в среднем приходится по одному семени зеленой окраски. Точно так же и для другой пары признаков - на каждые три семени с гладкой поверхностью независимо от окраски семян приходится по одному морщинистому семени. В результате он пришел к выводу, что каждый признак проявляется самостоятельно и его наследование не зависит от другого.

Таким образом, Мендель сделал свое главное открытие в основанной им науке о наследственности - он доказал дискретность (т. е. индивидуальную независимость) наследственных факторов. Этот вывод нашел свое отражение в третьем законе Менделя: законе независимого наследования признаков (независимого комбинирования генов), согласно которому каждый признак наследуется независимо от наследования других признаков. Графически расщепление при дигибридном скрещивании будет выглядеть следующим образом:

Гораздо нагляднее возможные при дигибридном скрещивании генотипы и фенотипы смотрятся на решетке Пеннета (рис. 385).

Цитологическое объяснение результатов, которые получаются при дигибридном скрещивании, легко проиллюстрировать схемой поведения хромосом (рис. 386).

Таким образом, при скрещивании двойных гетерозигот (дигетерозигот) образуется 16 возможных генотипов, дающих проявление в четырех типах фенотипов.

Математически расщепление в F2 можно выразить следующей формулой: х = (3+1)n, где n - число пар признаков. Следовательно, при моногибридном скрещивании будет х = (3+1)1 = 4 возможных генотипа и два фенотипических типа в соотношении 3:1; при дигибридном: х = (3+1)2 = 16 генотипов и четыре фенотипических типа - 9: 3: 3:1; при тригибридном: х = (3+1)3 = 64 генотипа и восемь фенотипов - 27:9:9:9:3:3:3:1 и т. д. (важно учесть, что здесь во всех случаях мы имеем в виду количество фенотипов при полном доминировании). Для вычисления количества фенотипических типов в F2 употребляют формулу: х = 2n, где n - число пар признаков в гетерозиготном состоянии (это число равно количеству гамет, которые образует эта особь в соответствии с генами, определяющими проявление исследуемых признаков).