Лекция 1. Предмет и методы генетики. Законы наследственности в генетике.

1. Предмет и объекты генетики.

2. Методы и задачи генетики.

3. История науки о наследственности.

4. Г. Мендель – основатель теории наследственности.

5. Законы наследственности.

ПРЕДМЕТ И ОБЪЕКТЫ ГЕНЕТИКИ

Впервые термин «генетика» был введен У. Бэтсоном в 1906 г. Слово «генетика» происходит от греческого слова «genesis», что означает «происхождение». Генетика изучает два неразрывных свойства живых организмов: наследственность и изменчивость, а также методы управления ими. Поэтому именно наследственность и изменчивость являются предметом генетики. Законы генетики применимы ко всем без исключения организмам, а ее методы широко используются различными биологическими науками: биохимией, зоологией, ботаникой, микробиологией, вирусологией, иммунологией, физиологией, экологией и т. д. Наследственность – это свойство живых организмов передавать свои признаки и особенности развития в неизменном виде следующему поколению. Каждый вид растения и животного сохраняет в процессе размножения характерные для него черты: курица выводит цыплят, свинья рожает поросят, пшеница дает пшеницу и т. д. Некоторые виды сохраняются в течение сотен миллионов лет в относительно постоянном виде. Например, современный опоссум практически ничем не от- личается от опоссума раннего мелового периода. Наличие семейств, родов, видов и других таксономических единиц обусловлено явлением наследственности. Наследственность неразрывно связана с процессом размножения, а размножение с делением клетки и воспроизведением ее структур и функций. Наследственность обеспечивает организму не только передачу признаков потомству, но и точное сохранение характерного для данно- го организма типа развития, т. е. проявление в ходе онтогенеза запро- граммированных признаков и особенностей организма, сохранение постоянного типа обмена веществ.

Изменчивость – это разнообразие в проявлении признаков. Изменчивость заключается в изменении наследственных задатков в процессе их передачи потомству и последующего развития организма. Самым ярким примером изменчивости является разнообразие признаков у человека. Варьирует в потомстве все – морфологические признаки, фи-зиологические, обмен веществ, психика, иммунитет и т. д. Вместе с тем каждый из нас хорошо знает, какие признаки он взял от матери и отца, чем похож на бабушку и дедушку, братьев и сестер. Существует несколько типов изменчивости: наследственная, ненаследственная и онтогенетическая.

Наследственная изменчивость (или генотипическая) обусловлена наследственно закрепленным изменением одного или нескольких генов. В основе наследственной изменчивости лежит либо возникновение му- таций (мутационная изменчивость), либо перекомбинация генетического материала в процессе мейоза (комбинативная изменчивость). В результате мутации может изменяться структура конкретного гена (генная мутация), строение хромосом (хромосомные мутации или перестройки), а также целых геномов (геномные мутации), что выража- ется в появлении в потомстве нового признака или признаков. Помимо мутаций в основе наследственной изменчивости лежит явление пере- комбинации генов (кроссинговер) или хромосом (в ходе метафазы – анафазы мейоза I), что приводит к новому сочетанию генов (или хромо- сом) в гаметах и, следовательно, иной их генетической конституции. По- сле слияния гамет в результате оплодотворения в потомстве появляются новые сочетания (комбинации) признаков. Такой тип изменчивости называется комбинативным. Например, при скрещивании белых и чер- ных кроликов в потомстве появляются голубые кролики и т. п. Ненаследственная изменчивость (или модификационная) отра- жает изменение признака под влиянием определенных факторов внеш- ней среды. Гены при этом остаются в неизменном виде, и поэтому мо- дифицированный признак потомству не передается. Например, человек загорел, однако коричневый цвет кожи не передается потомству.

МЕТОДЫ И ЗАДАЧИ ГЕНЕТИКИ

Генетический анализ – это комплексный генетический метод, включающий следующие частные методы: гибридологический, мутационный, цитологический и т. д. В последнее время генетический анализ пополнился рядом новых современных методов: гибридизацией соматических клеток, молекулярно- генетическими методами, а также методами смежных наук: биохимии, иммунологии, зоологии, ботаники, микробиологии, вирусологии, фи- зиологии, а также химии и физики. Гибридологический метод является основным. Он заключается в создании системы скрещивания двух организмов с последующим учетом характера наследования признаков в потомстве. Гибридологический анализ может производиться только при наличии определенных различий между родителями. Для того чтобы увеличить разнообразие признаков у родительских форм получают дополнительные мутации. Характер наследования признаков анализируется с помощью математического метода. Основоположником гибридологического метода является Грегор Иоганн Мендель (1822 – 1884), который сформулировал основные его положения:

• скрещиваемые организмы должны принадлежать к одному виду;

• организмы должны четко различаться по отдельным признакам;

• анализируемые признаки должны быть наследственно закрепленными;

• необходим количественный учет всех типов расщеплений в потомстве.

Мутационный метод используется для направленной индукции мутаций с целью, как указывалось выше, создания различий между родителями при гибридологическом анализе, а также в биохимической генетике для выяснения функции гена. Цитологический метод используется для изучения строения генетического аппарата клетки, поведения хромосом в процессе деления (митоза и мейоза), при слиянии гамет, а также для идентификации хро- мосомных и геномных мутаций. Кроме того, в генетический анализ входит математический ме- тод, который позволяет проводить математический и статистический анализ результатов скрещивания. Популяционный метод позволяет изучать генетические процессы, происходящие на уровне популяций. Большой вклад в развитие и совершенствование генетического ана- лиза внес метод гибридизации соматических клеток in vitro. По сравнению с классическим гибридологическим анализом преимуществом этого метода является то, что он позволил начать эффективное картирование генов человека, устранил барьер нескрещиваемости некоторых организ- мов, а также значительно сократил время проведения анализа. В настоящее время генетический анализ выходит на новый современный уровень, благодаря развитию таких методов, как молекулярная гибридизация (дот-, блот-, слот-гибридизация, гибридизация in situ), рестрикционный анализ, фингерпринт и футпринт, клонирование генов (включая позиционное и функциональное), метод «прогулки по хромосоме», ПЦР, секвенирование и др. Использование этих методов в гене- тическом анализе значительно увеличило его разрешающую способ- ность, позволило выйти на молекулярный уровень изучения организации генов и геномов у различных организмов, разработать новые ДНК технологии для решения ряда теоретических и прикладных задач современной генетики.

ИСТОРИЯ НАУКИ О НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Первые письменные упоминания о наследственности содержатся в трудах античной эпохи. Древние греки были привер- женцами «теории прямого наследования» и считали, что семя (женское и мужское) происходит из различных частей тела, например, головного мозга (Алкмеон, 6–5 в. до н. э.), спинного мозга (Гиппон, V в. до н. э.), либо образуется путем сбора из всего орга- низма (Анаксагор, V в. до н. э.). Поэтому Анаксагор считается ос-15 новоположником перформизма (см. ниже). Этой же точки зрения придерживался Демокрит (V–IV в. до н. э.). В трудах Гиппократа (IV в. до н.э.) образование семени связыва- ется с “влагами” человека (слизью, кровью, желчью и водой). Инте- ресными были взгляды Аристотеля (384–322 г. до н. э.). Он считал, что семя у человека образуется из крови, причем только у мужчин. Оно содержит «душу», которая при оплодотворении вносится в женский организм (женскую «материю»), после чего женское начало образует зародыш. Однако наиболее правильный путь объяснения происхождения семени выбрал греческий врач Гален (около 130–200 г. н. э.). Этот ученый окончательно признал женские яичники в каче- стве органов, образующих женское семя. Образование мужского се- мени он связывал с семенниками, хотя и придерживался взгляда, что первоначально оно все же образуется из крови. Относительно пола рождающихся детей также существовали многочисленные теории, наиболее популярной из которых была тео- рия, согласно которой мальчики развиваются в правой части матки, а девочки – в левой. Подобные представления о возникновении семени и о поле ребенка просуществовали 23 века до Нового времени. Во времена Ч. Дарвина «теория прямого наследования» получи- ла свое развитие в виде теории пангенезиса. Приложив немало уси- лий для изучения явлений наследственности и изменчивости, в 1863 г. Ч. Дарвин опубликовал работу, в которой роль наследственных факторов отводилась особым геммулам, которые рассеяны по все- му организму, и, попадая в репродуктивные органы, передаются потомству половым путем (рис. 1). Парадокс заключается в том, что к этому времени в 1866 г. уже вышла работа Г. Менделя («Опыты над растительными ги- бридами»), в которой были сформулированы законы непрямого наследования, позже ставшие основой всей генетики. В XVII–XVIII вв. популярной была также теория перформизма, согласно которой внутри яйцеклетки или сперматозоида существу- ет зародыш (гомункулюс). Причем одни ученые считали, что го- мункулюс находится только в яйце (овисты), а другие – только в сперматозоиде (анималькулисты) (рис. 2). Считалось, что признаки потомству передаются только от одного из родителей – от матери или от отца, соответственно. Подобных перформистических взглядов придерживался извест- ный голландский ученый А. Левегнук (1632–1723), который утвер- ждал, что зародыш образуется из головки сперматозоида. Открытое в 1740 г. Ш. Боннэ (1720–1793) явление партеногенеза у тлей рас- сматривалось как прямое доказательство овизма. Обнаруженное А. Трамбле (1710–1784) почкование у пресноводной гидры и способность к регенерации из мелких частей тела (опыты 1741–1744) также ис- пользовались для доказательства наличия у животных зачатков не только в половых органах, но и в любых частях тела. Перформистом был также известный швейцарский физиолог А. Галлер (1708–1777).

Хотя теория перформизма не подтверждалась на практике (очевидным было, что потомство получает признаки от обеих ро- дителей), она просуществовала в течение двух веков. Первый вызов теории перфор- мизма был брошен французскими исследо- вателями П. Мопертюи (1698–1759) и Ж. Бюффоном (1707–1788). Они выступили противниками этой теории как в ее овист- ской, так и анималькулистской интерпре- тации, призывая вернуться к учению древ- них о двух семенных жидкостях, считая, что «есть всегда деятельная органическая материя, всегда готовая формироваться, уподобляться и образовывать существа, подобно тем, которые ее воспринимают». Их идеи оказали большое влияние на разви- тие биологии, способствуя возрождению эпигенетической теории, основанной на признании одинакового участия обоих полов в наследственности и развитии живых ор- ганизмов.

Необходимо указать целый ряд важных особенностей его экспериментов, благодаря чему открытие законов наследственности принадлежит именно Г. Менделю:

• целенаправленный, продуманный выбор объекта;

• для получения потомства использовал различные линии садового гороха (проводил только внутривидовые скрещивания);

• для скрещивания родительских форм подобрал пары с «контраст- но-различающимися» признаками;

• использовал только «чистые линии», полученные после двухго- дичных испытаний их «надежности»;

• свои опыты начал со скрещиваний, когда родительские формы отличались только по одной паре контрастных признаков, что облегчило интерпретацию получаемых результатов и позволило установить четкие закономерности их наследования;

• разработал схему скрещивания, сегодня называемую «менделевской схемой» (гомозиготные «контрастно-различающиеся» родительские пары и самоопыление гибридов F1 для получения F2;

• провел реципрокное скрещивание для подтверждения единообра- зия потомства первого поколения;

• разработал схему возвратных (анализирующих) скрещиваний;

• назвал проявляющиеся в F1 признаки доминантными, а не проявляющиеся – рецессивными;

• в отличие от своих предшественников анализировал все получаемое в результате скрещивания потомство;

• ввел в эксперимент четкий количественный и качественный учет всех потомков и дальнейшее их испытание путем размножения последующих поколений. Это позволило Г. Менделю установить закономерности расщепления признаков в потомстве независимо от характера анализируемой пары контрастных признаков (например, желтые – зеленые семена, окрашенные и неокрашенные цветки и т.д.). Точно установив числовые отношения в расщеплении признаков в потомстве, Г. Менделю удалось расшифровать основу этого явления.