слая особь может нести либо два идентичных аллеля (такую особь теперь называют гомозиготной), либо два разных аллеля (гетерозиготная особь), и в последнем случае экспрессия одного аллеля доминирует над экспрессией другого (табл. 2.1); 5) гаметы соединяются случайным образом. Пункт 3 часто называют первым законом Менделя. Он означает, что гетерозиготные родительские особи производят в равных количествах гаметы, содержащие контрастирующие аллели.

Мендель обозначал пары генов буквами; доминантные аллели— прописными, а рецессивные — строчными. На рис. 2.1 эти обозначения использованы для наглядного изображения результатов одного из его экспериментов и их истолкования. Мендель

24 Глава 2

Механизмы наследственности 25

скрещивал растения гороха с гладкими (доминантный признак— R) и морщинистыми (рецессивный признак — г) семенами и получил в поколении F2 5474 гладких и 1850 морщинистых семян, т. е. отношение гладких семян к морщинистым составляло 2,96: 1, что совпадает с предсказанным соотношением 3-1.

рис. 2.2. Интересные результаты наблюдаются в поколении F2. Существует две возможности: 1) признаки, полученные от одной из родительских особей, передаются совместно, и в таком случае следует ожидать в поколении F2 семена только двух типов —

Гладкие желтые Морщинистые зеленые

RR

YY

RR

т Родительские особи

А*

Rr

Родительские гаметы Семена F, (все гладкие) Гаметы Fj

RY

Гаметы F,

Л Предсказанное соотношение = 3 гладких : 1 морщинистое

Рис. 2.1. Один из экспериментов Менделя по скрещиванию растений, различающихся по одной паре признаков.

Далее Мендель обнаружил, что если исходные растения, использованные в скрещивании, различаются еще по двум контрастирующим признакам, то эти признаки в поколении F2 также расщепляются, но при этом не обязательно остаются связанными с первой парой признаков. На основе этого Мендель сформулировал свой второй закон, или принцип независимого распределения: гены, детерминирующие разные признаки, распределяются по гаметам независимо друг от друга. (Последнее далеко не всегда справедливо, но это было установлено позднее.) Один из экспериментов Менделя по изучению наследования двух признаков и истолкование полученных данных представлены на

9 гладких желтых : 3 гладких зеленых

3 морщинистых желтых :' 1 морщинистое зеленое

Рис. 2.2. Еще один эксперимент Менделя, в котором скрещивали растения, различающиеся по двум парам признаков.

гладкие-желтые и морщинистые-зеленые — в соотношении 3:1, как и прежде (рис. 2.1); 2) эти признаки передаются независимо, как показано на рис. 2.2. В последнем случае в F2 должно быть 4 типа семян в соотношении 9 гладких-желтых (доминантный—доминантный), 3 гладких-зеленых (доминантный—рецессивный), 3 морщинистых-желтых (рецессивный—доминантный), 1 морщинистый-зеленый (рецессивный—рецессивный). Мендель получил семена этих четырех типов в соотношении 315 : 108:101 : 32, что хорошо соответствует пункту 2.

26 Глава 2

Механизмы наследственности 27

2.1.2. Осложнения

Как и можно было ожидать, дальнейшие исследования показали, что генетический механизм сложнее, чем представлял себе Мендель. Тем не менее ни одно из этих осложнений не -опровергает основных допущений Менделя о дискретности генов и их большой стабильности. Ниже кратко изложены некоторые наиболее значительные осложнения.

1. Доминирование. Оперение кур андалузской породы отла-вает синим, но среди цыплят всегда попадаются черные особи и особи с белыми пятнами. На самом деле андалузки гетерозигог-ны по окраске оперения, но черная окраска не полностью доминирует над пятнистой. Это не может служить доводом в пользу слитной наследственности, потому что в потомстве от скрещиваний между гетерозиготными особями наблюдается выщеплк-ние пятнистой и черной окраски в соответствии с менделевскс-ми соотношениями.

Теперь мы знаем, что степень доминирования одного гена над другим зависит от его экспрессивности, а не от каких-либо существенных различий между генетическими системами. При кодоминантности оба аллеля экспрессируются в одинаковой мере (т. е. аддитивны), именно это и происходит у кур андалул-ской породы. При частичном, или неполном, доминировании один из аллелей не активен (не экспрессируется), но другой активен полностью, так что в фенотипе эффект проявляется Hi-половину. При полном доминировании (то, что наблюдал Мендель) эффект одного аллеля эквивалентен эффекту двух аллелей, а при сверхдоминировании эффект одного аллеля выражея в большей степени, чем эффект двух таких аллелей в гомозиготном состоянии. Картина еще больше осложняется в тех случаяк, когда экспрессия аллелей, находящихся в одной части (локусе)ф генного набора, регулируется экспрессией аллелей, находящиеся в других локусах. Это явление известно под названием эпиг-таза. Например, при скрещивании двух гомозиготных мышек, одна из которых доминантна по окраске шерсти—агути (серая шкурка), а другая — рецессивна (черная шкурка), все потомство должно было бы иметь окраску агути. Большая часть мышат действительно относится к типу агути, однако встречаются н альбиносы, причем частота их выше той, которую можно было бы отнести за счет мутаций. Происходит это потому, что на ot~ раску шкурки влияет еще и другая пара генов, находящихся s другом локусе. Доминантный аллель в этом локусе определяет нормальную окраску, детерминированную аллелями главно» локуса, а рецессивный аллель определяет альбинизм, и любаи мышь, гомозиготная по этому аллелю, будет альбиносом независимо от состояния главного локуса.

2. Сцепление. В экспериментах по гибридизации, проводившихся Менделем, факторы, которые он изучал, распределялись независимо, однако теперь мы знаем, что гены расположены в хромосомах (см. разд. 2.2.1) и поэтому распределение каждого из них по гаметам зависит от их относительного распределения по хромосомам. Если два локуса находятся в одной и той же хромосоме и притом расположены близко один от другого, то ©ни будут передаваться вместе.

Например, Томас Хант Морган (Thomas Hunt Morgan), положивший в 1909 г. начало генетическому изучению плодовой мушки (Drosophila), обнаружил у двух генов D. melanogaster отклонение от второго закона Менделя; один из этих генов определяет цвет глаз (рг — пурпуровый, рг+—красный), а другой— длину крыла (vg— зачаточное, vg+— нормальное). Обратите внимание на то, что принцип обозначения генов здесь несколько иной: обозначение получает мутантный (обычно рецессивный) аллель, а доминантный аллель отличают от него индексом +. Такая система обозначений была принята потому, что для каждого локуса дрозофилы обнаружено большое число мутантных аллелей; она до сих пор используется генетиками, работающими с дрозофилой, наряду с другими обозначениями (см. [1]). Морган скрещивал гетерозиготных самок (ргрг+ vgvg+) с гомозиготными самцами (prpr vgvg). На основании классической менделевской генетики следовало ожидать, что в F! все четыре возможные сочетания генов будут представлены в равных количествах: prpr vgvg, prpr vgvg+, prpr+ vgvg, prpr-V8V8+ (Рис- 2.3, А). Однако на самом деле частота родительских форм [prpr+ vgvg+ и prpr vgvg) в потомстве была в 10 раз выше частоты двух других форм. Морган объяснил это, допустив, что два родительских аллеля сцеплены один с другим и поэтому передаются в одной родительской хромосоме, как это показано на рис. 2.3, Б. Но если эти два гена сцеплены, то как вообще могли возникнуть генные комбинации prpr vgvg+ и prpr+ vgvg} Очевидно, генетический материал каким-то образом переносится с одной хромосомы на другую (рис. 2.3, В), и существование такого явления, названного кроссинговером, было впоследствии подтверждено цитологическими наблюдениями. Ясно, что чем ближе друг к другу расположены два локуса в хромосоме, тем выше вероятность их совместной передачи и тем менее вероятен их кроссинговер. Таким образом, по частоте сцепления между локусами можно судить об их относительном местоположении в хромосомах, что служит основой для составления карт хромосом.

Первым признаком, хромосомную локализацию которого удалось установить (в результате ряда ключевых экспериментов, проведенных главным образом в США между 1900 и

28 Глава 2

Механизмы наследственности 29

К Классическая менделевская интерпретация

prpr 'vgvg*

pr vg

pr vg

Яйцеклетки

prvg prvg'

Сперматозоиды + t

prvg prprvgvg prprvgvg* prpr'vgv.g prpr'vgvg

prprvgvg . t t

prvg prprvgvg prprvgvg prpr vgvg prpr vgvg

1910 гг.), был пол. У млекопитающих и у дрозофилы одна хромосома (назовем ее хромосомой X) имеется у особей женского пола в двух экземплярах, а у особей мужского пола — только в одном. Вместо второй Х-хромосомы у самцов имеется отличная от нее Y-хромосома. Таким образом, самки несут хромосомы XX и образующиеся у них яйцеклетки содержат одну Х-хро-сому, а самцы несут хромосомы XY и образующиеся у них сперматозоиды содержат либо Х-, либо Y-хромосому. Если допустить, что находящиеся в этих хромосомах ген или гены контролируют пол, то становится возможным объяснить наблюдаемое соотношение полов 1 : 1 при помощи следующей простой схемы:

pr vg pr'vg' 9

prvg

Prvg

Prvg Prvg

prvg

Сперматозоиды

prvg

pr'vg' ?r* vg* prvg prvg

prvg' ~pr*~~vg

pr'vg'

В Кроссинговер

Prvg

Pr vg

Конечный продукт дает гаметы pr Vg1* и pr*Vg. Эти гаметы при слиянии с гаметами pr vg дают зиготы prprvgvg** Prpr* Vgvg

Рис. 2.3. Интерпретация механизма наследования цвета глаз и формы крыла у дрозофилы (объяснения см. в тексте).

Самка

XX

/\

X X Яйцеклетки

Спермин

Самец Х\<Г^' XX XX

XY XY

(Отметим, что у птиц и у некоторых насекомых наблюдается обратная картина: гетерогаметны самки, а самцы гомогаметны.) Соотношение полов рассматривается более подробно в разд. 3.7.

Половые хромосомы X и Y морфологически отличаются от остальных хромосом (аутосом) и друг от друга. Поэтому можно ожидать, что они содержат уникальные аллели, которые не могут переходить из одной хро