Каминская Э.А. Общая генетика

Подождите немного. Документ загружается.

меньше (1) по данной паре. Зигота, содержащая 2п + 1 хромосом,

называется трисомиком, а 2п — 1 — моносомиком. Так, люди, имею-

щие в хромосомном наборе XXXXXY, XYY, являются трисомиками

по половым хромосомам, а страдающие болезнью Дауна — трисо-

миками по 21-й паре хромосом. Моносомиками можно считать лю-

дей с набором половых хромосом ХО. Особи, лишенные целой пары

хромосом (2п — 2), называются нулисомиками.

Гетероплоидия сопровождается значительными фенотипическими

изменениями. У людей при этом обнаруживаются множественные

дефекты физического и умственного развития. Описана гетероплои-

дия у растений (пшеница, табак, кукуруза) и некоторых домашних

животных. Она используется для изучения групп сцепления, марки-

рования хромосом и для селекционных целей (вводя в геном реци-

пиента определенные хромосомы, можно направленно изменять приз-

наки и свойства растений).

У гетероплоидов также нарушен гаметогенез, но вместе с тем

у них могут образовываться нормальные гаплоидные половые клетки.

Характеристика мутаций на тканевом уровне. Наследственные

структуры имеются во всех клетках живого организма — ив сома-

тических, и в генеративных. Нарушения их в соматических клетках

называются соматическими мутациями. Эти мутации затрагивают

лишь часть клеток и мозаично проявляются в фенотипе. Так, у овцы

на сером фоне окраски шерсти может быть черное пятно; среди белых

клубней картофеля одного растения развивается красный, у фено-

типически нормального растения появляется одна мутантная ветвь,

лишенная пигмента либо с измененной формой цветка или листьев

и т. д. Потомство одной мутантной соматической клетки называется

клоном, а особи, несущие соматическую мутацию,—^мозаиками или

химерами. Соматические мутации не играют какой-либо роли в про-

цессе эволюции, поскольку при размножении половым путем не за-

крепляются в потомстве. Однако в селекции часто используют такие

мозаики, у которых проявились хозяйственно полезные признаки

и свойства. Напимер, И. В. Мичурин из соматической мутации (на

дереве обычной антоновки развилась ветвь с очень крупными пло-

дами) вывел сорт Антоновки шестисотграммовой.

Нарушения наследственных структур в половых клетках на раз-

ных стадиях гаметогенеза называются генеративными мутациями.

При их возникновении на ранних стадиях гаметогенеза (гонии, ооци-

ты и сперматоциты) мутантная клетка может размножиться и в пр-

томстве появится ряд особей с одинаковым мутантным фенотипом.

Несколько одинаковых мутаций можно наблюдать у особей, дающих

многочисленное потомство (растения, насекомые, мыши, кролики

и др.). Такие мутации называют «пучковыми». Мутации, возникаю-

щие в сперматидах и оотидах, а также в зрелых половых клетках,

фенотипически проявляются как одиночные, т. е. мутантной ока-

зывается только особь, развившаяся из гаметы, несущей мутацию.

При этом все клетки данной особи будут нести мутацию, но проявится

она лишь в тех клетках, тканях и органах, в процессе развития

которых функционировал мутантный ген. Поэтому нередко сомати-

'197

Рис. 117. Морфологические генеративные мутации у дрозофилы (из

Н. Н. Медведева, 1966):

/ — узкие глаза (Ваг); 2—вырезанные крылья (cut); 3—маленькие крылья (rudimentary);

4 — зачаточные крылья (vestigial); 5 — загнутые крылья (Curley); 6—расставленные крылья

(Dichaete).

ческие и генеративные мутации могут быть фенотипически сходными.

Например, седая прядь волос у людей может быть проявлением как

клона соматической мутантной клетки, так и доминантной аутосом-

ной рецессивной мутации.

Генеративные мутации наследуются при половом размножении и,

несомненно, играют роль в эволюции. В этом случае существенным

моментом является их фенотипическое выражение, которое заклю-

чается в изменении физиологических и биохимических свойств

организма и оказывает влияние на его жизнеспособность.

Мутация на уровне организма. По характеру изменения фенотипа

все мутации можно разделить на следующие группы.

1. Морфологические мутации, нарушающие признаки физическо-

го строения; безглазие, короткопалость, шестипалость, карликовость

у человека; бескрылость у мух; коротконогость у кур и овец; измене-

ние формы цветка, листа, высоты растения и др. (рис. 117).

2. Физиологические мутации, изменяющие некоторые физиологи-

ческие свойства особей (вальсирующие мыши, вертячка у овец) и по-

нижающие или, реже, повышающие жизнеспособность и плодови-

тость особей. К последним относятся летальные (вызывают 100%-

ную гибель мутантов).и полулетальные (приводят к 50 %-ной гибели

мутантов) мутации. Часто морфологические мутации дают и физио-

логический эффект, например, отсутствие волосяного покрова у че-

'198

ловека и альбинизм резко снижают его жизнеспособность. Подобное

явление характерно также для животных и растений. К примеру,

бесхлорофильные мутации у злаков обусловливают карликовый рост

растения, резкое снижение его жизнеспособности и даже гибель.

В этом случае можно говорить и о множественном выражении мута-

ции.

3. Биохимические мутации, тормозящие или изменяющие в той

или иной степени превращения и синтез некоторых веществ в орга-

низме. Они выражаются, как правило, в отсутствии какого-либо

фермента, участвующего в цепи биохимических реакций. Например,

отсутствие фермента, разрушающего фенилаланин, приводит к разви-

тию у человека фенилкетонурии. Нередко мутантный аллель тормозит

образование необходимого биохимического продукта (гипоморфная

мутация), к примеру белоглазие у дрозофилы. При гиперморфных

мутациях количество биохимического продукта может увеличиваться,

и тогда у мутанта с белыми глазами (w) не исключен возврат гена

к исходному состоянию w

(красный цвет глаз).

Мутации гена, затрагивающие морфологические, физиологи-

ческие и биохимические признаки, могут идти в двух направлениях:

от дикого типа к мутантному (прямая мутация) и от мутантного к ди-

кому (обратная мутация). Чаще происходят прямые мутации; обрат-

ные же у одних организмов могут возникать с той же частотой, что

и прямые, у других значительно реже. В 1928 г. В. Бэтсон выдвинул

теорию «присутствия — отсутствия», согласно которой все мутации

обусловливаются потерей (нехваткой) отдельных генов. Такой меха-

низм мутаций, возможно, имеет место тогда, когда обратные мутации

вообще не возникают. Однако сам факт обратного мутирования

в случае большинства мутаций уже свидетельствует о том, что при

мутации наследственный материал не утрачивается, а происходит

лишь обратимое изменение структуры гена. Иногда обратную мута-

цию одного гена имитирует мутация другого гена, подавляющая

действие ранее возникшей мутации. Это явление называется су-

прессией.

Прямые мутации чаще всего рецессивны. Фенотипически они

проявляются не сразу; для этого требуется выщепление их в гомо-

зиготном состоянии. Обратные и незначительная часть прямых

мутаций обычно доминантны, т. е. имеют фенотипическое выраже-

ние в гетерозиготном состоянии у особей или в их потомстве.

Фенотипическое выражение мутации зависит прежде всего от

индивидуальных особенностей организма и его генотипа, а также от

факторов внешней среды. Так, у дрозофилы мутация Abnormal abdo-

ment (измененная сегментация брюшка) лучше проявляется на

влажном корме; у божьих коровок со сменой времени года изменяется

доминирование генов, определяющих окраску переднеспинки.

Варьирование степени выраженности мутации в зависимости от

генотипа и факторов внешней среды называется экспрессивностью

мутации. В группе особей, несущих одинаковую мутацию, экспрес-

сивность мутации может быть различной — от четкой фенотипи-

ческой выраженности до полного ее отсутствия (нулевая экспрес-

'199

сивность, например мутация Abnormal abdoment у дрозофилы на

старом сухом корме). Процент особей с фенотипическим выраже-

нием мутации по отношению к общему числу всех особей, несущих

такую мутацию, называется пенетрантностью мутации.

Мутации на популяционном уровне. Считается, что любая мута-

ция вредна, так как нарушает взаимодействие организма со средой.

Однако некоторые мутации вызывают незначительные изменения

в организме и не представляют особой опасности для его жизни. Та-

кие мутации не препятствуют размножению особей и способны

накапливаться в популяциях.

Вредной следует считать такую мутацию, которая оказывает

негативное влияние на жизнеспособность организма и на его спо-

собность к размножению. Вредные мутации элиминируются из

популяции в результате действия естественного отбора.

Некоторые мутации могут оказаться нейтральными, изредка —

полезными, т. е. благоприятными для размножения и выживаемости

организма. Последние закрепляются естественным отбором.

Необходимо отметить, что вредность мутации — понятие относи-

тельное: в определенных условиях она может оказаться полезной.

Естественный и индуцированный мутагенез

Под мутагенезом понимают процесс возникновения, формирова-

ния и реализации наследственных нарушений. Способность орга-

низма к мутированию определяется его физиологическими и биохи-

мическими свойствами, а проявление ее обусловливается специфи-

ческими факторами, или агентами, вызывающими изменения наслед-

ственных структур. Мутации происходят как в естественной среде

обитания организма, так и в условиях направленного воздействия

различными агентами. В зависимости от причины различают два

типа мутагенеза: естественный, возникающий без видимого воз-

действия извне, и индуцированный, развивающийся под влиянием

необычных для организма экстремальных факторов— мутагенов.

Всякий мутационный процесс характеризуется скоростью возникно-

вения, т. е. частотой, мутаций. По темпу мутирования можно судить

о характере причинного фактора, об особенностях генотипа и отно-

сительной роли его, а также среды в возникновении мутаций.

Естественный мутационный процесс. Естественный мутационный

процесс часто называют спонтанным. Это не очень удачный термин,

так как слово «спонтанный» обозначает самопроизвольный и не

выражает причинность явления. Процесс возникновения мутаций без

видимого и направленного воздействия извне логичнее назвать есте-

ственным.

Существует несколько гипотез относительно естественного мута-

генеза. Это свидетельствует о малоизученности данного процесса

и о широком спектре причинных факторов. Наиболее популярной

считалась гипотеза Н. П. Дубинина (1958), согласно которой ско-

рость естественного мутирования определяется естественным фоном

радиации, слагающимся из космической и земной радиации,.До мне-

'200

нию Дубинина, величина этого фона равна примерно 0,12—0,23 рада

в год. Однако действием радиации можно объяснить небольшую долю

наблюдаемых мутаций. Такие мутации, например, у дрозофилы

составляют 0,1 %, а у человека — до 25% от общего количества

естественных мутаций.

В 30-х годах широкое распространение получила гипотеза о теп-

ловом движении атомов, предложенная Н. В. Тимофеевым-Рес-

совским, К- Циммером и М. Дельбрюком. По мнению авторов, в ре-

зультате теплового движения атомов в определенном участке хромо-

сомы происходит локальное сосредоточение энергии, вызывающее

мутацию. В 70-х годах С. Е. Бреслер выдвинул новую гипотезу, придя

к выводу, что источником спонтанных мутаций служит нормальная

флюктуация, или тепловые шумы, создающиеся при авторепликации

ДНК, в результате которых вместо нуклеотидов, комплементарных

матрице, изредка подставляются другие, случайные, нуклеотиды.

В настоящее время уже доказано, что ошибки репликации ДНК иг-

рают существенную роль в возникновении спонтанных мутаций.

Ряд авторов, в том числе Дубинин, в 50-х годах, основываясь

на данных по изучению химического мутагенеза, предложили так

называемую метаболическую теорию, по которой причиной мутиро-

вания могут явиться продукты обмена веществ в организме — мета-

болиты. Эта теория получила экспериментальное подтверждение.

В ее пользу говорят и данные по увеличению частоты мутаций при

старении организма. Например, М. С. Навашин и Г. Штуббе (1935)

обнаружили, что в семенах злаковых по мере старения нарастает

частота мутаций, особенно хромосомных перестроек. Если в вытяжке

из старых семян прорастить молодые, у последних резко возрастает

уровень хромосомных мутаций. В культуре клеток периферической

крови людей пожилого возраста обнаруживается значительно больше

хромосомных перестроек, чем у молодых.

В последние годы высказывается мнение, что на скорость естест-

венного мутационного процесса влияют не столько мутагенные фак-

торы, сколько соотношение внутриклеточных мутагенов и антимута-

генов (веществ, способных понижать темп мутирования). К послед-

ним относятся вещества, входящие в состав естественного полифе-

нольного комплекса (катехины и сапонины), пуриновые нуклеотиды

и др. И. А. Рапопорт (1971) считает, что функцию антимутагенов

в клетке выполняют ферменты. Это предположение требует экспе-

риментального доказательства, но тем не менее представляет извест-

ный интерес.

Анализируя роль возможных причинных факторов в возникнове-

нии естественного мутагенеза, несомненно, можно сделать вывод,

что его уровень определяется в основном внутриклеточными биохи-

мическими процессами.

В 1941 г. М. Демерец на дрозофиле показал, что способность

к мутированию находится под контролем генотипа. К настоящему

времени уже установлено, что существуют особые гены-мутаторы,

изменяющие мутабельность организма. Они описаны у некоторых

прокариот (Е. coli, S. typhimurium) и эукариот (дрожжи, кукуруза).

14 . Зак. 5107

'201

Позднее, в 60-х годах, были

найдены также антимутаторные

гены, снижающие скорость ес-

тественного мутационного про-

цесса. Это аллели того же локу-

са, что и гены-мутаторы. Гены-

мутаторы, по-видимому, спо-

собны изменять активность

ДНК-полимеразы. Последняя

снижает вероятность ошибоч-

ного спаривания нуклеотидов

в момент репликации и участву-

ет в исправлении уже допущен-

ных ошибок спаривания.

Вавилов Николай Иванович

(1887—1943).

В последние годы установ-

лено, что на частоту мутаций

генов также влияют мобильные

элементы генома (см. гл. 8).

Скорость естественного му-

тационного процесса зависит от

генотипа и лежит в основе следующих закономерностей мутагенеза.

1. Уровень спонтанного мутирования почти у всех живых орга-

низмов низкий, но частота мутаций различная у разных видов живот-

ных и растений.

2. Различные гены в одном генотипе мутйрГукэт с разной частотой.

Например, у дрозофилы в ^-хромосоме летальная мутация появляет-

ся с частотой 0,15 % за одно поколение, тогда как во 2-й и 3-й хромо-

сомах — с частотой 0,5 %. Ча-стота мутации cut (вырезки на крыль-

ях) у дрозофилы достигает 1,5 на 10 000 гамет, a yellow (желтое

тело) и white (белые глаза) — лишь 0,29. Различна и частота некото-

рых наследственных заболеваний у человека: гемофилии — 3,2Х

X Ю~

, альбинизма — 2,8Х Ю

-5

, ихтиоза — 1,1 X Ю

-5

, а такого

редкого заболевания, как аниридия (отсутствие радужной оболоч-

ки),— лишь 5Х Ю~

(примерно 5 случаев на миллион гамет).

3. Сходные гены в разных генотипах мутируют с различной ско-

ростью. Например, в разных лабораторных линиях дрозофилы часто-

та глазных и крыловых мутаций неодинаковая; у грызунов мутация

альбинизма встречается чаще, чем у других млекопитающих. Это

различие может быть обусловлено полом, возрастом, физиологи-

ческим состоянием организма.

4. «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходны-

ми рядами наследственной изменчивости с такой правильностью,

что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть на-

хождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе

расположены в обшей системе роды и виды, тем полнее сходство

в рядах их изменчивости. Целые семейства растений в общем харак-

теризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через

все роды и виды, составляющие семейства».

Последнюю закономерность обнаружил Н. И. Вавилов в 1920 г.

'202

Еще раньше, в начале XX в., у линнеонов (название однородных

крупных видов, по К. Линнею) была обнаружена очень большая

изменчивость: вид как бы состоял из множества разновидностей.

У злаковых культур такие разновидности отличались друг от друга

особенностями развития и роста, размером и формой колоса, нали-

чием или отсутствием остей, формой листьев, цветков, зерен и др.

(рис. 118). Разновидности вида получили название жорданонов (по

имени обнаружившего их французского ботаника А. Жордана).

Впоследствии у разных видов культурных растений было описано ог-

ромное количество жорданонов. При тщательном изучении данного

явления оказалось, что разновидности разных видов фенотипи-

чески сходны. Это означает, что при формировании различных

наследственных форм у разных видов имеет место параллельная

изменчивость. Вавилов обратил внимание на этот параллелизм в из-

менчивости признаков у злаков (табл. 4) и сформулировал закон

гомологических рядов в наследственной изменчивости:

Li (а + в + с ...), L

(а + в + с ...), L

(а + в + с ...) и т. д.,

где Li, L

, L

— роды и виды; а, Ь, с — варьирующие признаки (ок-

раска и форма стебля, листьев, колоса и др.).

В настоящее время гомологичная изменчивость обнаружена даже

у генетически неблизких форм. Альбинизм, например, встречается у

'203

растений, беспозвоночных и позвоночных животных; бесшерстность

у млекопитающих гомологична отсутствию оперения у птиц и чешуи

у рыб; карликовость по типу ахондроплазии (недоразвитие костей

конечностей) характерна для птиц, овец, свиней, человека (рис. 119)

и т. д.

По мнению Вавилова, гомологическая изменчивость, будучи ис-

тинной на уровне организма, часто оказывается ложной на уровне ге-

нотипа. Например, глухонемота у человека может быть обусловлена

рецессивными генами из разных пар хромосом. Примером ложной

гомологии у человека служит и развитие у него фенотигшчески

очень сходных синдромов при болезни Марфана (см. гл. 8) и цисти-

нурии, вызываемых мутациями различных генов. В первом случае

дефект можно частично компенсировать введением в диету метиони-

на, во втором,— напротив, требуется исключение метионина из пи-

щи, так как в организме превращение его в цистеин блокируется.

Параллельная изменчивость свойственна многим признакам. Од-

нако даже морфологически «простые» признаки имеют сложную

генетическую детерминацию. Например, образование воскового нале-

та на листьях и стеблях ячменя^контролируется более чем 50 гена-

ми, располагающимися в разных парах хромосом. В их числе струк-

турные гены, отвечающие за синтез белков, участвующих в образо-

'204

a S

Рис. 119. Гомологическая изменчивость (карликовость по типу ахон-

дроплазии):

а — у человека (по A. Quelce-Salgado, 1964); б — у кур (по W. Landauer, Т. Dunn, 1930).

вании воскового налета, а также регуляторные гены, контролирую-

щие скорость этого синтеза. Кроме того, существуют гены, влияющие

на активность как структурных и регуляторных генов, так и*синтези-

руемого ими белка. Изменения могут затрагивать структуру любого

из этих генов и нередко приводят к гомологичному стенотипи-

ческому эффекту. В связи с этим различают истинную (полную и

неполную) и ложную гомологию в изменчивости.

При истинной полной гомологии сходный фенотип у разных видов

обусловливается одинаковыми мутациями одного и того же гена;

при истинной неполной гомологии — различными изменениями в

одинаковых генах. При ложной гомологии сходный фенотип у разных

видов развивается в результате либо мутаций разных генов, либо

различных генных взаимодействий, либо гормональных влияний в пе-

риод развития. Так, у различных животных альбинизм может быть

результатом рецессивной мутации (с) гена С (от гр. colour — цвет),

вызывающей нарушение процесса синтеза фермента тирозиназы

(переводит тирозин в меланин с образованием промежуточного про-

дукта ДОФА), или же следствием мутации, блокирующей пре-

вращение фенилаланина еще до образования тирозина: фенилала-

нин ^тирозин >- ДОФА >- ДОФА-хинон >- лейкодофахром

^дофахром >-диоксииндол ^меланин. Альбинизм развива-

ется у рецессивных гомозигот сс. Сходный фенотип (посветление

волос, кожи, цвета глаз) наблюдается также при фенилкетонурии,

обусловленной мутацией гена, отвечающего за превращение фенила-

ланина в тирозин. Это пример ложной гомологии.

Если у разных видов позвоночных альбинизм развивается вслед-

ствие только мутации с, то такой альбинизм является примером

'205

Рис. 120. Гималайский тип окраски шерсти у сиамских кошек

(а) и кроликов (б).

истинной полной гомологии в изменчивости. Другим ее примером

служит мутация гена С — c

, обусловливающая синтез тирозиназы

с неустойчивой структурой. Поэтому ее активность при 37 °С снижа-

ется, а при низких температурах возрастает, так что ДОФА и меланин

образуются лишь на охлажденных участках тела. Например, у гима-

лайских кроликов и сиамских котов интенсивно окрашены только

уши, дистальные отделы лап, хвост, кончик морды (рис. 120).

Ложная гомологическая изменчивость у животных может выра-

жаться и в появлении темных, практически черных, особей — мела-

нистов (рис. 121). В одних случаях меланизм развивается в резуль-

тате взаимс^действия неаллельных генов, контролирующих окраску

шерсти, в других — вследствие повышенной активности генов, ответ-

ственных за синтез тирозиназы.

Истинная неполная гомология хорошо прослеживается на при-

мере анемии (см. гл. 2), когда у человека сходные заболевания

вызываются разными мутациями одного и того же гена, ответствен-

ного за синтез одной из полипептидных цепей гемоглобина.

Явление гомологии в наследственной изменчивости у разных

видов может служить косвенным доказательством их происхождения

от общего предка путем дивергенции: родственные виды, разошедши-

еся в процессе эволюции, могут нести гомологичные гены.

Индуцированный мутагенез. Индуцировать мутации могут раз-

личные мутагены, в частности факторы физической природы (все

виды ионизирующих излучений, колебания температуры и пр.), хими-

ческие вещества. В зависимости от характера мутагенного фактора

различают радиационный и химический мутагенез.

Изучение радиационного мутагенеза началось после выявления

влияния рентгеновских лучей на наследственные структуры. В 1925 г.

Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов обнаружили мутагенную актив-

'206