Основы генетики

Генетика — это область биологии, изучающая закономерности наследственности и изменчивости живых организмов. Она исследует материальные носители наследственности, причины и закономерности их изменчивости, способы реализации наследственной информации на молекулярном, клеточном и организменном уровнях в онтогенезе, динамику частот генов в популяциях и изменения наследственных структур в процессе эволюции. Таким образом, основными задачами генетики является изучение проблем хранения, передачи, реализации и изменчивости наследственной информации.

Изучение генетических проблем осуществляется с применением большого числа методов. Основным из них является гибридологический, или метод скрещиваний, блестяще разработанный и примененный Грегором Менделем. Его прекрасно дополняют имеющие важное самостоятельное значение другие методы: цитогенетический, или цитологический, изучающий поведение хромосом в клеточных делениях; физиологический, биохимический, биофизический, онтогенетический (эмбриологический), молекулярно-генетический (молекулярно-биологический), метод культуры клеток и ткани, генеалогический, исследующий закономерности наследования по родословным, близнецовый и другие. Каждый из них действует на определенном уровне организации живой материи в зависимости от специфики исследуемого объекта.

Исследовать генетические проблемы можно практически на любом виде организмов, однако более целесообразно использовать специальные объекты, удовлетворяющие ряду критериев. К ним относятся короткий период полового созревания, длительный репродуктивный цикл, большое количество половых клеток и, следовательно, потомков, небольшое число четко цитологически различимых хромосом, существование специальных видов хромосом (например, полигенных), удобство культивирования в лабораторных условиях, наличие большого числа четко различимых признаков. Конечно, далеко не всякий экспериментальный объект характеризуется всем набором этих свойств. Тем не менее чем ближе он к идеалу, тем он удобнее для изучения. К числу таких объектов относятся представители животных (инфузории, дрозофила, мышь, крыса), растений (арабидопсис, горох, пшеница), грибов (дрожжи, аспергилл, нейроспора), водорослей (хламидомонада), бактерий (кишечная палочка, сальмонеллы, клебсиеллы, цианобактерии) и вирусов (бактериофаги, некоторые вирусы растений и животных). Многие задачи генетики успешно решаются на клеточных культурах объектов разнообразного происхождения — от насекомых до человека. Для каждого объекта необходимо хорошо знать черты биологии, особенно биологии размножения, так как от этого в ряде случаев зависит механизм наследования и хромосом, и генов, и признаков.

Важным для генетики является понятие наследственного (генетического) признака. Под генетическим признаком понимают любое свойство объекта, по которому существуют качественные или количественные различия, четко передаваемые из поколения в поколение. Соответственно признаки подразделяются на качественные — их проявления альтернативны, дискретны, четко отличаются одно от другого (например, признак окраски венчика у растений, имеющий проявления, или градации, в виде красного и белого цветов; форма и расположение цветков (верхушечное или пазушное) на побеге и другие; а также количественные — проявления признаков могут быть измерены, четких различий между ними, как правило, не существует (например, рост, масса тела у млекопитающих, яйценоскость кур, удойность крупного рогатого скота и другие). Наиболее Ярко закономерности наследования проявляются в случае качественных признаков.

Совокупность всех признаков организма образует фенотип, а все гены, их определяющие, составляют генотип.

Хромосомы. Кариотип. Митоз. Мейоз

ДНК, как основной носитель наследственной информации, в клетках находится в ассоциации с белками и образует особые структуры, называемые хромосомами. Хромосомы находятся в ядре клетки и отличаются у разных организмов как по размерам и форме (морфологии), так по численному составу. Специфический набор хромосом характеризует кариотип вида. В процессах клеточных делений хромосомы ведут себя упорядоченно. Соматические клетки и стволовые клетки полового пути (гонии) делятся посредством митоза.

В клеточном цикле генетический материал хромосом последовательно проходит следующие стадии: предсинтетическую (или стадию G1), синтеза ДНК (S), постсинтетическую (G2) и собственно деления (М). В результате митоза дочерние клетки получают такой же хромосомный набор, каким он был в исходной материнской клетке. S-период приходится на интерфазу. В это время ДНК хромосом реплицируется, и по окончании этой стадии каждая из хромосом состоит из двух хроматид, соединенных общей центромерой. В профазе хромосомы конденсируются, и хроматиды становятся хорошо различимыми. У диплоидных организмов в кариотипе имеются две хромосомы, сходные по морфологии и размеру, они содержат одинаковые или сходные последовательности ДНК (гомологичные хромосомы). В метафазе все хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки независимо друг от друга (ядерная мембрана уже исчезла), образуя метафазную пластинку. На хромосомах выделяется особая структура — центромера, к которой прикрепляются нити веретена деления. В анафазе центромеры делятся, и каждая из хроматид превращается в хромосому. Затем нити веретена деления сокращаются, и приобретшие самостоятельность хромосомы движутся к противоположным полюсам клетки. К каждому из них отходит по одной из хроматид от каждой хромосомы. В телофазе происходит реконструкция интерфазных ядер (формируется ядерная мембрана, хромосомы деспирализуются, появляются ядрышки). Таким образом, хромосомный состав обеих дочерних клеток становится одинаковым с исходной материнской.

Половые клетки (иначе называемые гаметами) формируются в процессе клеточного деления, именуемого мейозом. Его отличительной особенностью является однократное удвоение ДНК при наличии двух последовательных клеточных делений. Первое деление — редукционное, или первое деление мейоза — характеризуется наличием длительной профазы. Ключевым отличием этого вида деления является конъюгация гомологичных хромосом (синапсис, тесное слияние и контакт по всей длине), которая приводит к формированию пар гомологичных хромосом, каждая из которых состоит из двух хроматид. Такие пары иначе называются бивалентами (так как содержат по две хромосомы) или тетрадами хромосом (так как несут четыре хроматиды). В метафазе не отдельные хромосомы, а конъюгирующие пары гомологичных хромосом (биваленты или тетрады) выстраиваются в экваториальной плоскости. В анафазе редукционного деления центромеры, в отличие от митоза, не расщепляются, а к полюсам отходят хромосомы, по-прежнему состоящие из двух хроматид. Как следствие этого происходит уменьшение числа хромосом (и наследственного материала) вдвое по сравнению с соматическими клетками (редукция числа хромосом). Теперь каждая новая клетка несет гаплоидный набор хромосом.

Перед вторым делением мейоза, иначе называемым эквационным, не происходит удвоения наследственного материала, оно происходит точно так же, как митоз. В результате мейоза из одной гониальной клетки образуются четыре дочерние. Они превращаются в половые клетки (гаметы). У самцов животных все они преобразуются в сперматозоиды, а у самок лишь один из продуктов мейоза дает начало яйцеклетке, остальные же формируют так называемые полярные тельца, из которых гаметы не формируются. Так же, как хромосомы, ведут себя и расположенные в них гены: поскольку хромосомы расходятся в процессе мейоза случайным образом, то и гены, находящиеся в разных хромосомах, попадают в разные клетки-продукты мейоза по вероятностному принципу. Жизненный цикл многоклеточных организмов, размножающихся половым путем, включает чередование диплоидной и гаплоидной фаз.

При соединении хромосомных наборов женской и мужской половых клеток в процессе оплодотворения образуется зигота, в которой восстанавливается исходный (диплоидный) видовой набор хромосом. В сохранении постоянства числа хромосом у особей данного вида и заключается биологическое значение мейоза. В мейозе хромосомы расходятся случайным образом друг относительно друга, что предопределяет многие закономерности наследования.

Хромосомная теория наследственности

Факты, открытые при изучении генетики пола сцепленного с полом наследования, сцепленного наследования генов и кроссинговера привели к формулированию основной теории генетики — хромосомной теории наследственности. Ее суть заключается в следующем: все признаки и свойства живых организмов определяются генами, расположенными в хромосомах клетки в линейном порядке.

Репликация, транскрипция, трансляция наследственного материала

Носителями наследственной информации являются нуклеиновые кислоты, обязательные компоненты живой клетки. Как правило, информация закодирована в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), лишь у некоторых организмов она хранится в составе рибонуклеиновой кислоты (РНК). ДНК — это полимерная молекула, состоящая из четырех азотистых оснований: пуриновых — аденина (А) и гуанина (Г) и пиримидиновых — тимина (Т) и цитозина (Ц). Каждое из них ковалентно связано с молекулой сахара дезоксирибозы и остатком фосфорной кислоты, образуя дезокси-рибонуклеотиды — мономеры, из которых и формируется цепь ДНК. При этом количество А во всех молекулах ДНК равно количеству Т, а Г=Ц (правило Чаргаффа). Молекула ДНК представляет собой двуцепочечную правозакрученную спираль, основания которой направлены внутрь, а фосфатные группы — наружу. Цепи удерживаются водородными связями между основаниями, которые спариваются в строго специфических сочетаниях А-Т и Г-Ц, обеспечивая свойство комплементарности нитей ДНК. Именно в последовательности нуклеотидов (азотистых оснований) одной из цепей ДНК и заключена наследственная информация.

Воспроизведение (репликация) ДНК осуществляется по полуконсервативному механизму. Двунитевая конденсированная нить ДНК подвергается раскручиванию (снимаются супервитки). Затем нити расплетаются, и на каждой из них по принципу комплементарности достраивается новая дочерняя цепь ДНК. Направление синтеза нитей от 5′ к 3′ — концу. Репликация начинается и заканчивается в строго определенных местах ДНК. Участки ДНК, на которых осуществляется один акт репликации, носят название репликонов. В хромосомах разных организмов может находиться как один (бактерии и вирусы), так и несколько репликонов (высшие эукариоты). Каждый этап репликации обеспечивается функционированием строго определенных ферментов, ключевым из них является ДНК-полимераза. При репликации происходит точное воспроизводство генетической (наследственной) информации, что необходимо для обеспечения ее сохранности в неизменном виде при размножении клеток и организмов.

Реализация информации осуществляется в процессе, именуемом транскрипцией, под которым понимают перенос информации с двуцепочечной молекулы ДНК на одноцепочечные молекулы РНК. Матрицей для синтеза РНК служит лишь кодирующая нить ДНК, называемая смысловой. Транскрипция включает стадии инициации, элонгации и терминации. Основным ферментом, ответственным за проведение транскрипции, является РНК-полимераза, осуществляющая синтез в направлении 5′ к З’ -концу растущей цепи. В момент транскрипции двунитевая молекула ДНК расплетается и по механизму комплементарности на смысловой нити ДНК синтезируется молекула РНК. При этом вместо Т включается другой нук-леотид, имеющий основание урацил (У). В клетке синтезируется РНК трех видов: иРНК (информационная, или матричная), рРНК (рибосомная) и тРНК (транспортная). Синтез РНК осуществляется дискретно, а не по всей протяженности молекулы ДНК.

Далее иРНК участвует в процессе трансляции — синтезе белка на матрице РНК. При этом информация с языка азотистых оснований нуклеиновых кислот переводится на двадцатибуквенный алфавит аминокислот, что приводит к формированию полипептидов (белков). Основные компоненты трансляции — это иРНК, рибосомы, тРНК и ферменты, осуществляющие этот процесс. тРНК имеет область, носящую название антикодона, которая комплементарна кодирующей части из трех нуклеотидов (кодону) иРНК, и аминоацильный участок, к которому присоединяются аминокислоты. В результате комплементарного взаимодействия кодона и антикодона происходит присоединение нужной аминокислоты к растущей полипептидной цепи. Этот процесс осуществляется в рибосомах, с которыми ассоциирована иРНК. Осуществление биосинтеза белка на матрице иРНК обеспечивает однозначное соответствие структуры полипептида структуре ДНК, или колинеарность гена (ДНК) и белка. Синтезированные полипептиды и белки и осуществляют все жизненно важные процессы в клетке.

Генетический код

Язык, на котором записана наследственная информация в нуклеиновых кислотах, носит названия генетического кода. В результате многолетних целенаправленных работ установлено, что генетический код характеризуется следующими свойствами: он триплетен, вырожден, неперекрывающийся, непрерывный и универсальный. Триплетность кода означает, что одна аминокислота зашифрована в последовательности трех нуклеотидов в ДНК или РНК и что считывание информации осуществляется тройками (триплетами). Например, кодону УУУ соответствует аминокислота фенилаланин, АЦА-треонин и т. д. В настоящее время расшифрованы все сочетания триплетов и соответствующих им аминокислот. Триплеты УАА, УАГ и УГА не кодируют аминокислот и носят названия бессмысленных (нонсенс) кодонов. Поскольку сочетаний нуклеотидов, взятых по три, гораздо больше, чем аминокислот, использующихся в процессах трансляции, неудивительно, что одна и та же аминокислота может кодироваться одновременно несколькими триплетами или кодонами. Это свойство генетического кода носит название вырожденности. Например, аминокислота серин может кодироваться сочетаниями УЦУ, УЦЦ, УЦА и УЦГ. При этом наименее важная роль в кодоне отводится третьему нуклеотиду. Неперекрываемость генетического кода заключается в том, что каждая буква, соответствующая азотистому основанию, может входить в состав только одного кодона, и на одной последовательности ДНК или РНК может, как правило, синтезироваться лишь одна полипептидная цепь. Например, последовательность ДНК ААЦГАГГАТ дает иРНК УУГЦУЦ-ЦУА, считывание на которой происходит только по кодонам УУГ, ЦУЦ, ЦУА (если оно начинается с первой буквы цепи), давая в конечном итоге пептид лейцин-лейцин-лейцин. Одновременно этот случай иллюстрирует и свойство вырожденности генетического кода. Непрерывность кода означает, что его считывание происходит без знаков препинания — без запятых и без пропусков. Единственным исключением является существование трех нонсенс-кодонов, на которых считывание обрывается. Генетический код универсален: его закономерности одинаково приложимы к самым разным организмам. Считывание наследственной информации и механизм кодирования аминокислот осуществляются у них одинаково. Это означает, что ген, выделенный из одного организма (например, человека) может функционировать в клетках другого, относящегося к совершенно иному уровню организации (например, кишечной палочки Е.coli). Естественно, из этих закономерностей бывают и исключения, связанные, к примеру, со сложной структурой генов эукариот или малым размером генома у вирусов и т. д., рассмотрение которых не входит в наши задачи.

Изменчивость

Наследственный материал хромосом (ДНК) обладает свойством изменчивости. Изменчивость подразделяется на наследственную и модификационную (ненаследственную).

Наследственная изменчивость включает в себя мутационную и комбинативную. Комбинативная изменчивость — это результат перекомбинации генов в результате случайного характера расхождения хромосом в мейозе, а также кроссинговера. При этом ранее существовавшие аллели сочетаются по-новому, давая начало другим наследственным комбинациям. Мутационная изменчивость основывается на возникновении мутаций — стойких изменений в структуре гена. В результате мутирования появляются новые, не существовавшие ранее формы. Мутации могут появляться без каких-либо специальных воздействий извне (спонтанные мутации), либо их можно получать в результате искусственных манипуляций (индуцированные мутации). Мутации подразделяются на генные, хромосомные и геномные. Генные мутации — это молекулярные изменения на уровне структуры ДНК одного гена. К ним относятся замены, вставки и выпадения отдельных нуклеотидов. В результате таких явлений нарушается считывание генетической информации, и последовательность аминокислот в полипептиде изменяется, что приводит к изменению его функции. Хромосомные мутации (называемые иначе хромосомными перестройками, или аберрациями) изменяют структуру хромосом. Выделяют следующие типы хромосомных мутаций: делеции — выпадение участка хромосомы, дупликации — удвоение фрагмента хромосомы, инверсии — поворот участка хромосомы на 180° и транслокации — перенос фрагмента хромосомы в другое место генома. Еще одним видом хромосомных перестроек является транспозиция — перенос небольшого фрагмента генетического материала в пределах одной хромосомы или между разными хромосомами, осуществляющееся при участии особых подвижных, или мобильных, мигрирующих, генетических элементов. Появление таких мутаций приводит к изменению характера сцепления генов и последовательности генов на генетических картах, изменению взаимодействия генов между собой, нарушениям функционирования генов, изменению характера конъюгации хромосом в профазе редукционного деления мейоза и нарушению расхождения хромосом. Геномные мутации — это изменение числа хромосом в геноме. Оно может быть кратным гаплоидному числу, тогда речь идет об эуплоидии, или некратным ему — это случай анеуплоидии, или гетероплоидии. Такие мутации ведут к изменению хромосомного баланса в клетке и организме и, как следствие этого, к нарушению его функционирования.

Важное значение для изучения закономерностей изменчивости имеет закон гомологических рядов наследственной изменчивости, автором которого является Н. И. Вавилов. Согласно этому закону близким видам и родам живых организмов свойственны сходные ряды (закономерности) наследственной изменчивости. Чем ближе родство рассматриваемых организмов, тем большее сходство наблюдается в спектрах (рядах) их изменчивости.

Ненаследственная (модификационная) изменчивость возникает в ответ на изменения в условиях окружающей среды, поэтому абсолютно одинаковых организмов в природе не бывает. Каждый признак имеет генетически закрепленные границы такой изменчивости. Такие пределы изменчивости известны под названием нормы реакции. Это означает, что в конкретных условиях окружающей среды рассматриваемый признак может проявляться в рамках нормы реакции. Фактически это изображается в виде вариационной кривой, или кривой распределения особей, имеющих соответствующие проявление признака.

Обратная генетика

Закономерности наследования, краткая суть которых изложена выше, составляют основу традиционного генетического подхода «от признака к гену». С возникновением молекулярной биологии, молекулярной генетики и генной инженерии стали возможными исследования, проводимые в противоположном направлении — «от гена к признаку», получившие название обратной генетики. Существом этого подхода является выделение фрагмента или последовательности ДНК и изучение их функций самыми различными методами: цитогенетическими, молекулярно-генетическими, биохимическими и биофизическими и т. д.

Выделение гена

Под геном сегодня понимают специфическую последовательность нуклеиновой кислоты (как правило, ДНК), которая определенным образом организована (у гена есть начало и конец, регуляторные области и вставочные последовательности и т. д.) и которая кодирует полипептидную цепь.

Первым этапом выделения гена является вырезание определенной последовательности из геномной ДНК. Этот процесс осуществляется с использованием ферментов эндонуклеаз — рестрикции, или рестриктаз. Они разрезают ДНК вблизи или внутри специфических последовательностей нуклеотидов, одинаковых на обеих цепях ДНК. Фрагменты рестрикции разделяют по молекулярной массе и электрическому заряду при помощи электрофореза в агарозном геле. Затем, используя различные методы, отыскивают ДНК-последовательности нужного гена. Наряду с этим подходом используют и альтернативный — способ химического синтеза последовательности, соответствующей тому или иному гену. Используя генетический код, по известной последовательности аминокислот химическим путем синтезируют последовательность ДНК. Ген синтезируют и по известной иРНК: используя фермент обратную транскриптазу на матрице иРНК, синтезируют комплементарную ей ДНК (кДНК). Таким же образом выделяют и последовательности-зонды, с помощью которых проводят отбор необходимых фрагментов после этапа рестрикции геномной ДНК.

Выделенный тем или иным способом фрагмент ДНК встраивают в специальную молекулярную структуру — вектор, необходимый для стабилизации фрагмента и его амплификации. В качестве векторов часто используют плазмиды — кольцевые молекулы ДНК бактерий, несущие маркерные гены, например гены устойчивости к антибиотикам. Вставка генных фрагментов осуществляется при разрезании плазмид теми же рестриктазами. В качестве векторов используют и геномы вирусов, в частности вирусов бактерий, или бактериофагов. Используя методы трансформации бактерий полученными векторами, можно осуществить точный поиск нужных генов и завершить их выделение, или клонирование.

Методы выделения индивидуальных генов разработаны в настоящее время практически для любых генетических объектов — от бактерий и вирусов до человека. Это является предметом генетической, или генной, инженерии.

Генно-инженерными методами можно вводить чужеродные или гены своего вида в геномы-реципиенты. Это осуществляется в процессах, известных как трансформация. Можно трансформировать генами бактерий клетки высших растений или млекопитающих.

При соблюдении определенных условий такие искусственно введенные гены могут активно функционировать в новом генном окружении. Такие подходы составляют суть биотехнологии, целью которой является создание живых объектов с заранее заданными свойствами. Применительно к человеку подобные методические подходы привели к появлению генной терапии, которая генно-инженерными и биотехнологическими методами корректирует наследственные заболевания человека, считавшиеся ранее неизлечимыми.

Генетика популяций

Элементарной единицей эволюции является популяция, под которой понимают совокупность индивидуумов одного вида, связанных общим происхождением, способностью к скрещиваниям и общностью территории. Элементарным эволюционным событием считается наследственное изменение популяции. Такое изменение может произойти, например, под влиянием естественного отбора. При этом отбираются организмы в соответствии с их фенотипом, а следовательно, с их генотипом. Таким образом, в результате такого процесса определенные генотипы получают преимущество и распространяются в популяции.

В генетике популяций ключевым понятием является частота генов (частота аллелей) и частота генотипов, так как при анализе популяционных процессов исследователь имеет дело не с отдельными особями и скрещиваниями между ними, а с наследованием в больших совокупностях организмов, которые неоднородны по своему генотипическому составу. Вся совокупность генов всех особей, входящих в состав популяции, называется ее генофондом. У диплоидных организмов число генов определяется как 2N, где N — число особей (это относится к тем генам, которые расположены в аутосомах).

Изменение частот генов (аллелей) или генотипов в популяциях описывает основной закон популяционной генетики — закон Харди-Вайнберга. Он гласит, что в идеальной, или менделевской, популяции в поколениях частоты аллелей не меняются и остаются постоянными. Если частоту аллеля А обозначить через рА, а частоту аллеля a как qa, то рА + qa = 1. Соотношение генотипов в этом случае будет (рА + qa) = р2АА + 2рАqа + q2аа = 1.

Под менделевскими популяциями понимают такие популяции, которые бесконечно велики по численности, в которых осуществляются свободные скрещивания и не действуют никакие внешние факторы (т. е. отсутствуют мутационный процесс, миграции особей из популяции в популяцию, отбор, случайный дрейф генов, избирательное скрещивание и изоляция). Они носят название факторов динамики частот генов (аллелей) в популяциях. Только такие популяции будут находиться в равновесии. Важнейшее следствие из закона Харди-Вайнберга — это существование рецессивных аллелей преимущественно в гетерозиготном состоянии.

Закон Харди-Вайнберга описывает изменение частот генов в популяциях, то есть рассматривает микроэволюционные процессы, действующие на уровне ниже видового, в отличие от макроэволюции, которая оперирует понятиями на видовом и надвидовых уровнях.