для исследования набор белков, ничего не зная заранее об их популя-ционной изменчивости. Такой набор представляет собой несмещенную выборку из всех структурных генов данного организма. Если окажется, что тот или иной белок одинаков у всех особей, то, значит, и ген, кодирующий этот белок, не обладает популяционной изменчивостью. Если же в популяции присутствуют разные варианты данного белка, то это означает, что соответствующий ген обладает популяционной изменчивостью. В этом случае возможно также оценить степень изменчивости, т.е. определить число вариантных форм исследуемого белка и частоту, с которой они встречаются в популяции. Другой возможный способ решения проблемы состоит в прямом определении нуклеотидной последовательности ДНК в выборке гомологичных генов разных особей.

Количественная оценка генетической изменчивости

К началу 50-х годов биохимики уже научились расшифровывать аминокислотные последовательности белков. Чтобы количественно оценить степень генетической изменчивости в природных популяциях, можно ис

пользовать следующий метод. Сначала выделяют достаточно большое число различных белков, например 20, ничего не зная заранее об их по-пуляционной изменчивости. Следовательно, эти белки могут представлять несмещенную выборку. Затем в каждом из белков этих 20 типов, полученных, скажем, от 100 особей, случайно отобранных в популяции, определяют аминокислотную последовательность, для того чтобы установить, сколько вариантов каждого белка представлено в выборке. Среднее число вариантов каждого из 20 различных белков в выборке из 100 особей может служить мерой лопуляционной изменчивости генома.

К сожалению, установление точной аминокислотной последовательности одного белка-задача, требующая нескольких месяцев, а иногда и нескольких лет работы. Руководствуясь сказанным выше, мы должны были бы для оценки генетической изменчивости одной популяции определить аминокислотные последовательности 2000 образцов белка, что практически вряд ли осуществимо. Однако, по счастью, разработан метод, а именно электрофорез в геле (гель-электрофорез), позволяющий исследовать; изменчивость белков со сравнительно небольшими затратами времени и средств. Начиная со второй половины 60-х годов посредством электрофореза в гелях были получены оценки генетической изменчивости для природных популяций многих организмов (см. дополнение 22.1).

Применение метода электрофореза позволяет установить для каждого исследуемого белка число аллелей, участвующих в формировании генетической изменчивости, и соотношение гомозигот и гетерозигот различных типов. Чтобы количественно оценить генетическую изменчивость популяций, обычно исследуют одновременно около 20 или более локусов. Полученную таким образом информацию желательно каким-то образом суммировать, чтобы выразить степень генетической изменчивости популяций каким-либо одним показателем, по которому можно было бы сравнивать между собой различные популяции. При этом используется целый ряд способов, однако наиболее широко распространены две Меры генетической изменчивости: полиморфность и гетерози-готность.

(Д^офщр^^ в геле Приборы и методы, используемые при изучении генетической изменчивости в природных популяциях с помощью электрофореза в геле, изображены на рис. 22.7. Образцы тканей разных организмов гомогенизируют (измельчают) для освобождения из клеток ферментов и других белков. Пробы надосадочных жидкостей (растворимых фракций), полученных при центрифугировании гомоге-натов, наносят на гель, приготовленный из крахмала, агара, полиакриламида или какого-нибудь другого желеобразного вещества. После этого через гель пропускают (обычно в течение нескольких часов) постоянный электрический ток, под действием которого белки начинают перемещаться в геле. Скорость и направление их перемещения определяются размерами и суммарным электрическим зарядом соответствующих молекул. После выключения тока гель обрабатывают раствором, содержащим субстрат, специфически взаимодействующий с исследуемым ферментом, и соль, реагирующую с продуктом реакции, катализируеКювета для

Рис. 22.7. Метод гель-электрофореза ферментов позволяет оценить генетическую изменчивость природных популяций (более подробно метод описан в тексте). А. Растворимые фракции, полученные из гомогенезиро-ванных образцов исследуемых тканей, наносят на поверхность геля и подвергают действию электрического поля. Ферменты и другие белки, содержащиеся в образцах, переокрашивания

мещаются и занимают определенные положения в геле. Б. После выключения электрического тока гель обрабатывают специальным химическим раствором для «проявления» пятен, соответствующих ферментам. Генотип особи по локусу, кодирующему данный фермент, определяют по характерному расположению пятен в геле.

мой этим ферментом. В том месте геля, куда переместился исследуемый фермент, происходит определенная химическая реакция, которую в общем виде можно записать следующим образом:

Субстрат* Продукт + Соль ?

> Окрашенное пятно

Достоинство этого метода состоит в том, что по числу и расположению пятен в геле можно судить о генах, кодирующих данный фермент, у каждой содержащейся в выборке особи. На рис. 22.8 изображен гель, полученный при исследовании фермента фосфоглю-комутазы у двенадцати дрозофил. Локус, кодирующий этот фермент, обозначают символом Рдт. Первая и третья особи

Рис. 22.8. Гель, окрашенный -после электрофореза для выявления фермента фосфоглюкомутазы. Гель содержит образцы тканей от 12 самок Drosophila pseudoobscura. Одно окрашенное пятно в геле соответствует гомозиготным мухам, а два пятна -гетерозиготным. Перечислим слева направо генотипы всех 12 особей:

ся аллелем Рдт108. Таким образом, вторая муха гетерозиготна и обладает генотипом Рдт1001108.

Молекулы некоторых белков, например фермента малатдегидрогеназы, элек-трофореграмма _ которого показана на рис. 22.9, состоит из двух полипептидных цепей; гетерозиготы при этом дают в геле три окрашенных пятна. Обозначим локус, кодирующий малатдегидрогеназу, символом Mdh. Вторая муха на рис. 22.9 представлена одним пятном и, значит, ее можно рассматривать как гомозиготу; обозначим ее генотип символом Mdh94/94. Первая муха также гомозиготна и имеет генотип Md/i104/104. У гетерозиготных особей синтезируются полипептидные цепи двух типов-А и В, кодируемые соответственно аллелями Mdh94 и Mdh104. Эти две субъединицы могут сочетаться в молекуле фермента в трех вариантах АА, АВ и ВВ. Этим вариантам соответствуют три окрашенных пятна в геле, что мы и наблюдаем для четвертой мухи на рис. 22.9.

Существуют белки, молекулы которых состоят из четырех и даже большего числа субъединиц. Особи, гетерозиготные по локусам, кодирующим такие белки, могут давать при электрофорезе по пять и более окрашенных пятен, но принцип, позволяющий по данным элек(считая слева направо) обладают ферментами с разной электрофоретической под-.лжностью и, следовательно, разными аминокислотными последовательностями. Это в свою очередь означает, что они кодируются различными аллелями. Обозначим аллели, кодирующие ферменты первой и третьей особей, символами Рдт100 и Рдт 08 соответственно. Числа в верхнем индексе указывают на то, что фермент, кодируемый аллелем Рдт108, перемещается в геле на 8 мм дальше фермента, кодируемого аллелем Рдт100. Такие символы широко применяются в электрофоретических исследованиях, хотя иногда для обозначения аллелей, кодирующих различные варианты ферментов, используют буквы, например S, М и F (от англ. slow, intermediate и fast), соответствующие аллелям для вариантов, перемещающихся с малой, средней и большой скоростью.

Поскольку у первой и третьей особей обнаруживается по одному окрашенному пятну (рис. 22.8), мы можем заключить, что эти мухи-гомозиготы с Генотипами Рдт1001100 и Р#т108/108 соответственно. У второй особи обнаруживаются в геле два пятна. Одно из этих пятен расположено в геле там же, где пятно первой мухи, и следовательно, оно соответствует ферменту, кодируемому аллелем Рдт100 ; второе пятно находится там же, где пятно третьей мухи, и, значит, оно кодируеттрофореза судить о генотипе особи, остается тем же. Электрофореграммы, представленные на рис. 22.8 и 22.9, свидетельствуют о наличии двух аллелей в каждом из двух исследовавшихся локусов. Локус, гомозиготный по какому-то аллелю, проявляется как одно и то же пятно для всех особей. С другой стороны, в локусе часто бывает более двух аллелей. Такой случай представлен на рис. 22.10, на котором изображена элек-трофореграмма фермента кислой фосфатазы у дрозофилы.

Варианты ферментов, кодируемые различными аллелями одного локуса и выявляемые с помощью электрофореза, называются аллоферментами (аллози-мами), или электроморфами. Электроморфы, одинаковым образом перемещающиеся в геле, могут тем не менее кодироваться разными аллелями, поскольку, во-первых, синонимичные триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту и, во-вторых, некоторые аминокислотные замены не изменяют электрофо-ретической подвижности белков. Следовательно, электрофорез в геле дает заниженную оценку степени генетической изменчивости популяций, однако, насколько именно занижена эта оценка, в настоящее время не известно.

Полиморфизм и гетерозиготность

Одной из мер генетической изменчивости популяций служит доля полиморфных локусов, или просто полиморфность (Р) популяции. Допустим, что с помощью электрофореза мы провели исследования генотипа морского червя Phoronopsis viridis, обитающего у побережья Калифорнии, по 30 локусам и установили, что изменчивость полностью отсутствует по 12 локусам ив той или иной мере присутствует по остальным 18 локусам. Тогда мы можем сказать, что популяция полиморфна по 18/30 = = 0,6 локусам, или, другими словами, полиморфность популяции составляет 0,6. Предположим, что мы аналогичным образом исследовали три другие популяции P. viridis и установили, что для них число полиморфных локусов из числа тех же 30 равно 15, 16 и 14. Полиморфность этих популяций составляет соответственно 0,50, 0,53 и 0,47. Теперь можно рассчитать среднюю полиморфность по четырем поп