Гуттман Б., Гриффите Э. и др. - Генетика

Самый известный случай установления отцовства с учетом принципов генетики — случай с Чарли Чаплином, которого Джоан Берри назвала отцом ее ребенка. Судебное разбирательство длилось с 1943 по 1945 год, и все это время пресса обвиняла Чаплина в моральной распущенности. Еще до обвинения появлялись статьи, в которых его называли виновным, вроде статьи в «Нью-Йорк тайме», озаглавленной «Чаплин и 6 других обвиняемых в заговоре против девушки» (11 февраля 1944 г.). Факты же оказались таковы: у Чаплина была группа крови 0, у Джейн Берри (матери) — А, у дочери, Кэрол Энн Берри — В. Так как дочь не унаследовала от матери группу А, то мать должна была быть гетерозиготной и иметь генотип /А/; в таком случае дочь унаследовала от матери аллель /. Аллель Р дол Очевидно, что близнец 1 должен быть ребенком мужчины 2, а близнец 2 — ребенком мужчины 1.

Генетический анализ — эффективное средство предсказания. Когда известно, что признак передается парой аллелей, генетический консультант может вычислить вероятность появления определенного фенотипа. Например, нам известно, как передается кистозный фиброз, определяемый рецессивным аллелем. Так как оба родителя нормальны, у каждого из них должен быть доминантный аллель. Но так как у них рождается ребенок с заболеванием (гомозиготный рецессивный генотип), у обоих должен быть еще и рецессивный аллель. Поэтому, если они захотят родить еще одного ребенка, вероятность этого наследственного заболевания у него будет равна '/4, или 25%.

Точно так же и селекционеры, желающие получить чистые породы животных или сорта растений с определенным признаком, должны придерживаться законов Менделя при оценке количества необходимых для этого скрещиваний. Они дают достаточные основания для точных расчетов современных методов селекции.

Ответы на вопросы о группах крови

Глава пятая. Хромосомы, размножение и пол

Мендель открыл основные законы наследственности приблизительно в то же время, когда другие биологи принялись изучать строение клетки. Поэтому когда законы генетики открыли заново в 1900-х годах, ученые уже смогли донять, что так называемые факторы должны соответствовать наблюдаемым в реальности структурам — хромосомам. Сейчас мы знаем, что факторы Менделя — это гены, и они содержатся в хромосомах. Отождествление абстрактных понятий и реальных структур — крупнейшее достижение генетики на ранней стадии ее развития, и оно было сделано в основном благодаря исследованию природы пола.

Клетки и размножение

После того как клеточная теория Шлейдена и Шванна стала общепринятой, патолог Рудольф Вирхов сделал свой немаловажный вклад. Он предположил, что не только все организмы состоят из клеток, но и всякая клетка происходит от клетки-прародителя. Мы уже сказали, что всякая клетка растет, получая питательные вещества, пока не достигает размера, вдвое больше обычного, после чего делится. Деление клеток — простейший вид размножения. Так размножаются большинство одноклеточных организмов, в том числе простейшие и дрожжи. Клетки многоклеточных организмов, таких как наш, также размножаются делением. И хотя впоследствии некоторые клетки становятся специализированными и никогда не делятся, тем не менее множество других клеток (кожи, печени, слизистой оболочки пищеварительного тракта и другие) постоянно отмирают, и им на смену приходят новые. Пока вы читаете эту страницу, каждую секунду в вашем организме отмирает около двух миллионов красных кровяных клеток и приблизительно такое же количество появляется в результате роста и деления клеток в вашем костном мозге.

Итак, все организмы, состоящие из клеток, происходят от организмов, живших до них. Идея о том, что некоторые организмы самозарождаются из неорганической материи, окончательно устарела в XIX веке во многом благодаря экспериментам Луи Пастера. Но каким же образом в эту картину вписывается половое размножение? Сегодня для нас ответ довольно очевиден, но для достижения современного уровня знания человечеству потребовались многие столетия наблюдений, размышлений и опытов. Как мы уже говорили в гл. 2, микроскоп помог установить, что сперматозоиды в сперме и яйцеклетки в яичниках — это те же клетки (рис. 5.1).

В течение некоторого времени биологи верили в преформацию, то есть в то, что половые клетки содержат полностью сформированные копии взрослых организмов, которые в процессе роста увеличиваются в размерах. Но в 1759 году Каспар Фридрих Вольф, наблюдая развитие эмбриона цыпленка установил, что организм развивается в процессе эпигенеза.

Рис. 5.1. Микрофотография яйцеклетки, окруженной многочисленными сперматозоидами в момент оплодотворения Это значит, что части организма формируются постепенно. Развитие начинается с оплодотворения сперматозоидом яйцеклетки и образования зиготы. Органы и части тела образуются из соматических клеток (таких, как клетки мышц, костей и печени); гаметы же — из особых клеток, которые находятся только в половых железах, семенниках и яичниках. Таким образом, один организм порождает другой благодаря слиянию и делению клеток, и непрерывную цепь жизни можно проследить от одного поколения к другому, вплоть до самых далеких наших предков.

Митоз и клеточный цикл

Отдельная клетка растет и делится на две новые клетки, проходя через клеточный цикл. Цель такого цикла — произвести две идентичные клетки и более, которые продолжат процесс, получив от родительской клетки копию ее генома. Так как геном, или совокупность генов, содержится в основном в хромосомах ядра, клетка для начала должна произвести копии своих хромосом. Количество хромосом увеличивается вдвое во время С-фазы цикла (от слова «синтез»), то есть в тот период, когда реплицируется (удваивается) ДНК и удваивается геном. Затем, во время митоза (М), хромосомы расходятся, и ядерное деление дает два одинаковых ядра с идентичным набором хромосом:

Таким образом, в жизненном цикле клетки можно выделить два основных события: удвоение хромосом и деление на две дочерние клетки, каждая из которых получает по одной копии хромосомы.

Между фазами М и С наблюдается относительно долгая стадия роста (Р1). Между фазами С и М проходит вторая стадия роста (Р2), когда клетка подготавливается к митозу. Период, охватывающий стадии М, Р1 и Р2 иногда называют интерфазой. Этот термин сохранился с того времени, когда ученые имели представление только о митозе и предполагали, что это самая важная фаза клеточного цикла. Митоз сам подразделяется на несколько стадий, последовательно сменяющих друг друга. Более детально процесс репликации, или удвоения ДНК, мы объясним в гл. 7. Сейчас же отметим, что после прохождения С-фазы все хромосомы в клетке удваиваются и готовы перейти в дочерние клетки.

Во время интерфазы в ядре мало что происходит. Когда клетка вступает в первую стадию митоза — профазу (рис. 5.2), ядерная мембрана распадается, и можно увидеть, что ядро содержит отчетливые нитевидные хромосомы. На этой стадии каждая хромосома уже удвоена, и обе они соединены попарно; отдельная «нить» такой хромосомы называется хроматидой.

Рис. 5.2. Стадии митоза: профаза— хромосомы становятся видимыми, а оболочка ядра распадается; метафаза — хромосомы выстраиваются посреди клетки; анафаза — две хроматиды каждой хромосомы расходятся к противоположным полюсам; телофаза — когда образуются новые ядерные оболочки и хромосомы снова становятся неразличимыми Это «сестринские хроматиды», то есть идентичные копии, образовавшиеся в процессе репликации ДНК за время С-фазы. Сестринские хроматиды соединяются друг с другом в особых участках — центромерах. В ядрах животных клеток имеются особые крошечные структуры, центриоли, которые начинают двигаться в противоположные стороны, образуя полюса деления. Между центриолями образуется структура, называемая веретеном деления; она состоит из многих нитей (скорее даже микротрубочек, образованных белком тубулином), которые распределяют хромосомы по двум ядрам. Некоторые из этих нитей тянутся от центриоли до центромеры хромосом, растаскивая их в разные стороны.

Пока к центромерам прикрепляются нити веретена, хромосомы свободно движутся по клетке, но через некоторое время они останавливаются на полпути между полюсами (в экваториальной плоскости). Теперь клетка вступает в стадию метафазы, второй фазы митоза. Все сестринские хроматиды одновременно, словно по команде, начинают расходится к полюсам благодаря сокращению одних нитей веретена, в то же время другие нити веретена удлиняются и отодвигают полюса друг от друга. Эти события знаменуют собой анафазу, после которой клетка начинает сужаться в центре.

И наконец, в телофазе все хромосомы достигают полюсов, и вокруг них образуется ядерная оболочка, а сама клетка делится пополам. В каждом ядре теперь имеется по идентичному набору хромосом, доставшихся от материнской клетки. Таким образом хромосомы передаются от одного поколения клеток другому их поколению. Благодаря такому же сложному и в высшей степени организованному механизму митоза отдельная зигота вырастает во взрослый организм, содержащий триллионы клеток. Клеточное деление не только обеспечивает рост животных и растений, но и поддерживает здоровье наших организмов. Ежедневно на протяжении всей нашей жизни митотическое клеточное деление заменяет изношенные клетки кожи новыми, затягивает наши раны и производит новые красные кровяные тельца.

Кариотип

Зная механизм митоза, можно лучше рассмотреть хромосомы, которые свободно движутся во время этого процесса. Поместим каплю крови в пробирку с питательным раствором, в котором могут размножаться лейкоциты (белые кровяные клетки). Через несколько дней обработаем раствор колхицином, разрушающим аппарат веретена деления и останавливающим деление клеток в метафазе, когда их хромосомы наиболее различимы. Т. С. Сю (Т. С. Hsu) открыл, что, если клетки поместить в раствор с концентрацией соли, меньшей, чем необходимо, для клеток, они впитывают воду и разбухают, после чего их хромосомы разворачиваются и распрямляются. Такие клетки помещают на столик микроскопа так, чтобы их хромосомы были отчетливо видны, и фотографируют (рис. 5.3а). На фотографии видно, что хромосомы различаются по длине и форме: одни короткие, другие длинные; их центромеры занимают различные положения. Каждый биологический вид имеет свой набор хромосом; у человека их сорок шесть.

Рис. 5.3. Для составления кариотипа делящиеся клетки распределяют на пластине, чтобы их хромосомы были отчетливо видны, и фотографируют (а). Затем гомологичные хромосомы на фотографии распределяют по парам и выстраивают по размеру так, чтобы значительно облегчить их исследование (б) Хромосомы человека, как и многих животных, можно распределить по парам. Сорок шесть человеческих хромосом образуют 23 пары (рис. 5.36). Расположив их на фотографии по порядку, получаем кариотип, то есть набор хромосом, с помощью которого можно диагностировать некоторые генетические заболевания.

Две внешне одинаковые хромосомы называются гомологичными. Если располагать их по порядку, начиная с самых длинных, то мы подойдем к самой короткой паре, от которой зависит различие между мужчинами и женщинами. У женщин ровно 23 пары хромосом, но у мужчин две последние хромосомы остаются непарными, причем одна из них чрезвычайно короткая. Эта короткая хромосома называется Y-хромосома, а более длинная — Х-хромосома. У женщин 23-я пара содержит две Х-хромосомы. Понятно, что хромосомы X и Y определяют пол человека. Остальные 22 пары гомологичных хромосом называются аутосомами. Очевидно, что у каждого человека по две одинаковые хромосомы, потому что у всех два родителя. Развитие человеческого организма начинается с оплодотворения сперматозоидом яйцеклетки; в каждой гамете содержится по 23 хромосомы, по одной каждого типа, а в образующейся зиготе содержится уже по две хромосомы каждого типа.

Эти наблюдения подводят нас к вопросу, как происходит половое размножение.

Мейоз

Вспомним, что митоз происходит только при делении обычных, соматических, клеток и что в результате такого деления в клетках остается один и тот же набор хромосом. Если бы сперматозоиды и яйцеклетки образовывались в процессе митоза, то в зиготе было бы в два раза больше хромосом, чем в клетках родителей, и с каждым поколением количество хромосом в организме удваивалось бы. Однако этого не происходит. Поскольку у представителей каждого поколения один и тот же набор хромосом, совершенно очевидно, что должен существовать еще один вид деления, при котором количество хромосом уменьшается наполовину. Такое деление называется мейоз. При каждом оплодотворении изначальное количество хромосом восстанавливается. Половое размножение, таким образом, можно представить себе как следующий большой цикл событий:

Клетка, у которой только один набор хромосом, называется гаплоидной (haploos — простой), а клетка с двойным набором хромосом называется диплоидной (diploos — двойной). В кариотипе человека имеется двойной набор 23 хромосом, поэтому мы, люди, диплоидные организмы. В половых железах (гонадах) взрослого организма — семенниках и яичниках — некоторые клетки размножаются посредством мейоза, образуя соответственно сперматозоиды и яйцеклетки, то есть гаплоидные клетки. Эти гаметы содержат по одному набору из 23 хромосом. При оплодотворении образуется зигота с двойным набором хромосом; при митотическом делении из нее вырастает взрослый организм, и цикл начинается сначала.

Нам, людям, кажется, что диплоидная фаза — это основная и главная стадия развития организма, размножающегося половым способом. Но у многих других организмов она длится недолго, и большинство их клеток гаплоидны. У мхов, например, растения с листьями гаплоидны, при этом они гораздо больше и заметнее отходящих в сторону диплоидных коричневых стебельков. Ни одна фаза при этом не более и не менее «живая», чем другая. Мы специально обращаем на это внимание, чтобы прояснить вызывающий сомнения вопрос по поводу того, когда начинается жизнь человека. Жизнь человека как вида началась несколько миллионов лет назад, когда он отделился от других приматов, и с тех пор она циклически продолжается. Сперматозоиды и яйцеклетки не менее живые, чем эмбрионы, хотя мы огорчаемся по поводу утраты диплоидных организмов и не обращаем внимания на ежедневную гибель гаплоидных клеток.

Механизм деления — образование центриоли, веретена и т. п. — при мейозе тот же самый, что и при митозе, только хромосомы ведут себя при этом несколько иначе (рис. 5.4). При мейозе у делящейся клетки четыре копии хромосом: она диплоидная так как у нее уже есть пара каждого типа хромосом, а во время С-фазы, предшествующей мейозу, набор удвоился.

Рис. 5.4. Процесс мейоза (в общих чертах) в клетке с двумя парами хромосом; одна из парных хромосом обозначена жирной линией, другая пунктирной. Профаза I: хромосомы становятся видимыми и образуют пары. Метафаза I: парные хромосомы выстраиваются напротив друг друга в середине клетки. Анафаза I: каждая из парных гомологичных хромосом полностью отходит к одному из полюсов клетки. Обратите внимание: хроматиды не расходятся и по-прежнему соединены центромерами. Телофаза I: начальное деление за-вешается. Профаза II: хромосомы снова становятся видимыми, как и при митотическом делении. Метафаза II: хромосомы снова выстраиваются посреди клетки. Анафаза II: на этот раз хроматиды отделяются друг от друга и расходятся к противоположным полюсам. Телофаза II: деление заканчивается образованием четырех гаплоидных клеток После двух клеточных делений такая клетка дает четыре гаплоидные клетки, и каждая из них имеет один набор хромосом. Рассмотрим процесс по порядку.

Как только клетка начинает свое первое мейотическое деление (мейоз I), гомологичные хромосомы определенным образом притягиваются друг к другу и образуют пары. В профазе I хромосомы становятся видимыми, и часто можно заметить нерегулярные утолщения и сжатия вдоль нити. По мере того как хроматиды гомологичных хромосом обвивают друг друга, эти фрагменты обычно выстраиваются в ряд. Затем хромосомы становятся еще более компактными и плотными, после чего расходятся. В конечном счете они соединяются друг с другом только в определенных точках, называемых хиазмами, в которых хроматиды тесно переплетаются, почти сливаясь друг с другом.

Во время метафазы I хромосомы находятся в середине клетки. Они начинают двигаться к противоположным полюсам во время анафазы I, но в данном случае каждая хромосома отделяется от своей гомологичной хромосомы, тогда как в одной хромосоме хроматиды остаются связанными (это важное отличие от митоза, при котором хроматиды во время анафазы отделяются друг от друга). Во время телофазы I хромосомы достигают полюсов и вокруг них образуются новые ядерные оболочки, после чего клетка делится надвое. Каждая дочерняя клетка — в данном случае гаплоидная — проходит через короткую стадию интерфазы (без синтеза ДНК) и приступает к повторному делению. Второй этап мейоза представляет собой аналог митотического деления. Хромосомы, которые в профазе II по-прежнему представлены двумя хроматидами, в метафазе II располагаются в экваториальной плоскости. Во время анафазы II хроматиды наконец-то отделяются друг от друга и расходятся по разным полюсам; во время телофазы II вокруг них образуются новые ядерные оболочки. Таким образом, получается четыре гаплоидных клетки, каждая с одним набором хромосом. (У людей они содержат 23 хромосомы. Хромосомы X и Y при мейозе ведут себя, как гомологичные, поэтому каждый сперматозоид содержит 22 аутосомы плюс Х- или Y-хромосому.) В животных клетках мейоз проходит по-разному у мужских и женских особей (рис. 5.5). При сперматогенезе отдельная клетка, называемая первичным сперматоцитом, делится на два вторичных сперматоцита, а они образуют четыре сперматиды; каждая сперматида превращается в сперматозоид (со своеобразной головкой и удлиненным хвостиком-жгутиком) в ходе сперматогенеза. Яйцеклетка образуется во время подобного процесса оогенеза. Но если у мужских особей в процессе сперматогенеза появляются четыре сперматозоида, то при оогенезе — деление цитоплазмы происходит по-другому и в результате образуется только одна яйцеклетка. Яйцеклетка человека имеет около 0,1 мм в диаметре, но при этом она в 70 раз больше головки сперматозоида. Функция сперматозоида — доставить свое ядро внутрь яйцеклетки, поэтому он такой небольшой. Яйцеклетке же еще предстоит превратиться в эмбрион, причем во время первых делений она не увеличивает свою массу, и в ней должен содержаться запас питательных веществ. В первичном ооците мейоз происходит у границы клетки, и в конце первого мейотического деления одно дочернее ядро отделяется от основной клетки в виде полярного тельца.

Рис. 5.5. При сперматогенезе из начальной клетки образуются четыре сперматозоида, а при оогенезе только одна клетка. При делении первичного ооцита один из наборов хромосом переходит в крошечное полярное тельце, которое может делиться еще раз, но никаких функций не выполняет. При втором делении образуется еще одно полярное тельце. Так получается большая гаплоидная яйцеклетка, теряющая незначительную часть начальной цитоплазмы Во время второго этапа мейоза ядра снова делятся, и одно из ядер ооцита отделяется. Таким образом, при оогенезе из каждого ооцита образуются три полярных тельца и одна яйцеклетка.

Взрослый мужской организм ежедневно производит миллионы сперматозоидов, женский же — одну яйцеклетку за период приблизительно 28 дней. Поэтому за все время жизни у женщины образуется 400—500 яйцеклеток. Все клетки, способные образовывать яйцеклетки, — около 2 миллионов — уже содержатся в организме девочки при рождении. К наступлению половой зрелости количество ооци-тов уменьшается до 300 тыс., и лишь малое число достигает стадии зрелой яйцеклетки.

Мейоз и законы менделя

В наши дни широко известно, что гены находятся в хромосомах, хотя в следующем разделе мы постараемся это утверждение доказать. Рассмотрев процесс мейоза, мы теперь можем найти в нем обоснование закона Менделя, согласно которому каждая особь содержит два фактора одного признака, но при этом гаметы переносят лишь один из этих факторов. Каждый животный организм или растение (у Менделя — горох) содержит диплоидный набор хромосом, которые переносят два аллеля одного гена. Если вернуться к примеру с тестерами и нетестерами фенилтиокарбамида, то какая-то из 23 пар наших хромосом должна переносить либо аллель Т, либо аллель t. У гетерозигот Tt гомологичные хромосомы в начале мейоза образуют пары, но во время первой анафазы расходятся, вследствие чего образуются гаметы, переносящие либо Т, либо t.