Подготовка у универсиаде 2012 / Генетика (Жимулев) / 1ver7

Глава 1. Общие положения: предмет и история развития генетики

1.1. Предмет генетики

По признанию многих современных биологов генетика в последние годы стала сердцевинойвсейбиологическойнауки.Лишь в рамках генетики разнообразие жизненных формипроцессовможетбытьосмысленокак единое целое.

У кошки всегда рождается котенок, а у собаки - щенок. Это значит, что во время скрещивания передается, а в ходе развития реализуется, информация о специфике строения клеток, тканей, органов, скелета, мышц и общего внешнего вида, типов физиологическихиповеденческихреакций,а также всего остального, что и делает муху мухой,агиппопотама-гиппопотамом.

В пределах одного организма идентичная во всех клетках генетическая информацияразвертываетсявформирование настолькоразличныхтиповклетокилитканей, что трудно поверить в единство их происхождения.Нетничегоболееразличного, чем нервная клетка и фоточувствительная клетка глазного омматидия, улавливающая свет,клеткамышечнаяилиэпителиальная.

Таким образом, генетика - наука о наследственностииеереализациивразвитии, озакономерностяхнаследованиягенетически закрепленных признаков. Наследственность можно определить как биологический процесс, обуславливающий сходство между родителями и потомством. В понятие наследственности по М.Е. Лобашеву входят четыре группы явлений: организация генетического материала, его экспрессия, воспроизведение (репликация) и передача от одного поколения к другому. Таким образом, генетика объединяет эмбриологию и биологию развития, морфологию и физиологиюв единуюнауку - биологию.

Несмотря на то, что у собаки всегда рождается щенок, даже беглый взгляд на демонстрируемыхучастниковвыставкисобак позволит увидеть огромное разнообразие их

форм, окрасок и размеров. Тем не менее, все это-собаки.Проблемыизменчивостиобщего для любого конкретного вида генотипа является другой проблемой генетики.

Очень велико и практическое значение генетики, т.к. она служит теоретической основой селекции полезных микроорганизмов, культурных растений и домашнихживотных.

Из генетики выросли такие мощно развивающиеся науки как биотехнология, генная инженерия, молекулярная биология. Труднопереоценитьрольгенетикивразвитии медицины.

Учебники и пособия

Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика, т. 1. Москва, Мир, 1-295, 1987.

Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика, т. 2. Москва, Мир, 1-368, 1988.

Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика, т. 3. Москва, Мир, 1-335, 1988.

АлиханянС.И.,АкифьевА.П.,ЧернинЛ.С.Общая генетика. Москва, Высшая школа, 1-446, 1985.

Гершкович И. Генетика. Москва, Наука, 1-698, 1968.

Гершензон С.М. Основы современной генетики. Киев, Наукова думка, 1-558, 1983.

Дубинин Н.П. Горизонты генетики. Москва, Просвещение, 1-549, 1970.

Дубинин Н.П. Общая генетика. Москва, Наука, 1- 487, 1970.

Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. Москва, Высшая школа, 1-592, 1989.

Картель Н.А., Макеева Е.Н., Мезенко А.М. Генетика: энциклопедический словарь. Минск, Тэхналогия, 1-447, 1999.

Льюин Б. Гены. Москва, Мир, 1-544, 1987. Лобашев М.Е. Генетика (издание второе).

Ленинград, Издательство ЛГУ, 1-751, 1967. МюнтцингА.Генетика.Москва,Мир,1-600,1967. Натали В.Ф. Основные вопросы генетики.

Москва, Просвещение, 1-207, 1967. Прокофьева-Бельговская А.А. (ред.) Основы

цитогенетикичеловека.Москва,Медицина, 1-544, 1969.

Ригер Р., Михаэлис А. Генетический и цитогентический словарь. Москва, Колос, 1-607, 1967.

опытах с бабочкой крыжовенной пяденицей открылсцепленноесполомнаследование.На первый взгляд и те, и другие данные явно не укладывались в менделевские законы наследования.Однакоэтопротиворечиелегко устраняется,еслипредставить,чтопроисходит сцеплениегеновсоднойизхромосом.

С 1910 года начинаются эксперименты группыТомасаХантаМоргана (T.H.Morgan) (Рис. 1.6). Вместе со своими учениками АльфредомСтертевантом(A.Sturtevant)(Рис. 1.7),КальвиномБриджесом(C.Bridges)(Рис. 1.8) и Германом Меллером (H. Muller) (Рис. 1.9), ставшими вместе с Морганом основоположникамигенетики,онксередине 20-х годов сформулировал хромосомную теорию наследственности, согласно которой генырасположенывхромосомах“какбусына нити”. Ими был определен порядок расположения и даже расстояния между генами. Именно Морган ввел в генетические исследования в качестве объекта маленькую плодовую мушку дрозофилу (Drosophila melanogaster).

В 1929 году А.С. Серебровский (Рис. 1.10)иН.П.Дубинин (Рис. 1.24),ещенезная, что такое ген, на основании результатов

Рисунок 1.7

Альфред Хенри Стертевант 1891-1970

собственныхисследованийпришликвыводу

îего делимости.

Â1930-1940-å годы: Дж. Бидл (J. Beadle) (Рис. 1.11) и Э. Тэйтум (E. Tatum, 1909-1975) сделали заключение о том, что всякий ген определяет синтез одного фермента. Они предложили формулу: “Один

Кальвин Бриджес 1889-1938

Герман Меллер 1890-1967

Александр Сергеевич Серебровский 1892-1948

ген - один фермент”, или позднее, после уточнения: “один ген - один белок”, или “один ген - один полипептид”.

В 1944 году в результате работ по трансформации у бактерий О. Эйвери, К. МакЛеод и М. МакКарти (O.T. Avery, C.M.

Джордж Бидл 1903-1989

MacLeod, M. McCarty) показали что трансформирующим агентом у пневмококков является ДНК, а следовательно, именно этот компонент хромосом и является носителем наследственнойинформации.

Несколько позже, в 1952 г., в экспериментахА.Херши(A.D.Hershey)иМ. Чейз (M. Chase) было показано, что инфекционным элементом вирусов служит их нуклеиновая кислота.

В 1952 году - Дж. Ледерберг и М. Зиндер (J. Lederberg, M. Zinder) открыли явлениетрансдукции,т.е.переносавирусами генов хозяина, еще раз показав роль ДНК в осуществлении наследственности.

Новый этап развития генетики начинается в 1953 году с момента расшифровки структуры ДНК Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком (см. Рис. 6.5), которые обобщили данные рентгеноструктурного анализа, полученные МоррисомУилкинсомиРозалиндФранклин.

Этот этап развития генетики богат выдающимися открытиями, особенно крупное было связано с расшифровкой генетического кода (С. Очоа и М. Ниренберг в США, Ф. Крик в Англии). А в 1969 году в СШАГ.Хоранассотрудникамисинтезировали химическимпутемпервыйген.

С начала 1960-х годов начинается триумфальное шествие молекулярной генетики, да и молекулярной биологии в целом, развитие которых, несомненно обусловлено расшифровкой структуры молекулы наследственности – ДНК. Поток открытий просто огромен, а достижения в деле регулирования биологических процессов столь впечатляющи, что затмевают любые способности писателейфантастов. Есть возможностьтолько вкратце упомянуть некоторые из этих открытий.

Надолгиегодызахватилиумыгенетиков и близких к генетике биологов идеи французских ученых Ф. Жакоба и Ж. Моно (F. Jacob, J. Monod), открывших в 1961 году оперонный принцип регуляции генной активностиубактерий.

Продолжая изучение строения гена, Р. Дж. Робертс и П.А. Шарп (P.J. Roberts, P.A. Sharp) установили, что гены состоят из многих частей, кодирующих – экзонов и некодирующих – интронов, и открыли явления сплайсинга в 1977 году. В том же году был открыт альтернативный сплайсинг (J. Weber, W. Jelinek, J.E. Darnell).

С серединой 1970-х годов совпадает время начала разработок технологий манипуляций с генами, которые позже получилиназваниегеннойинженерии.В1974 году К.М. Маррей и Н.Е. Маррей (K.M. Murray, N.E. Murray), манипулируя с рестрикционными сайтами фага лямбда, создали хромосому, способную заключать в себя чужеродную ДНК. Таким образом фаг λ стал вектором для клонирования чужеродной ДНК. В 1975 году были предложены сразу три важнейших метода геннойинженерии:1).Быстрыйметодпоиска бляшек с рекомбинантными лямбда-фагами, переноса их ДНК на нитроцеллюлозные фильтры и выявления рекомбинантных ДНК (W.D. Benton и R.W. Davis). 2). Метод гибридизации с колониями бактерий, что позволилоизолироватьклонированнуюДНК, содержащую гены или фрагменты ДНК (M.Grunstein, D. Hogness). 3). Е.М. Саузерн (E.M. Southern) описал метод переноса фрагментов ДНК с агарозных на нитроцеллюлозныефильтры.Этифильтрыон затем гибридизовал с радиактивной РНК и гибриды выявил методом авторадиографии. Этот метод получил название Саузерн-блот гибридизации.

Â1978 году появились геномные библиотеки клонов (группа Т. Маниатиса). В 1979 году группой Д. Хогнесса (W.P. Bender, P. Spierer, D. Hogness) был разработан метод хромосомной ходьбы, позволивший клонироватьпротяженные(донесколькихсот т.п.н. ДНК) фрагменты ДНК. В 1985 году предложен метод полимеразной цепной реакции,позволяющийсинтезироватьизатем многократно увеличивать число копий необходимых фрагментов ДНК (R.K. Saiki, K.B. Mullis).

Âконце 1970-х годов получила завершение история открытия мобильных элементов – обязательных непостоянных компонентов любого генома. В конце 1940õ годов Б. Макклинток открыла систему мобильных элементов Ac-Ds у кукурузы и установилазакономерностиихперемещений. В 1978 году ДНК мобильных элементов у

дрозофилы была выделена и клонирована группами Г.П. Георгиева и В.А. Гвоздева в России и Д. Хогнесса в США.

С концом 1970-х годов ассоциируется время, когда создавались предпосылки осуществления грандиозных геномных проектов. Так сейчас называют систему манипуляций,имеющихцельюклонирование ДНК во всем геноме того или иного вида с последующей расшифровкой (секвенированием) последовательностей нуклеотидов. В 1977 году Ф. Сэнгер (F. Sanger) и 8 его коллег сообщили о полном секвенировании ДНК в хромосоме фага φ X174. В том же году А.М. Максам и У. Гилберт (A.M. Maxam, W. Gilbert) предложили другой метод секвенирования.

Используяэтиметоды,впоследниегоды секвенируют геномы более чем 30 видов. В 1992 году консорциум ученых (146 человек из 35 европейских лабораторий) сообщили

îрасшифровке последовательностей нуклеотидов в 3-й хромосоме дрожжей - Saccharomyces cevevisiae. Отсеквенировали 315 т.п.н., в которых содержалось 182 открытыхрамкисчитывания.

Â1995 году - две больших группы ученых сообщили о расшифровке геномов первых свободно живущих организмов – бактерий Haemophilus influenza и Mycoplasma genitalium. В марте 2000 года группаиз200ученых(Adamsetal.)сообщила

îрасшифровке генома дрозофилы. К 2002 году обещают завершить секвенирование генома человека.

После того, как было открыто явление переноса генетической информации (трансформации) у прокариот, постоянно предпринимались попытки осуществить такой перенос у эукариот. В 1980 году первые трансгенные мыши были получены инъекциейклонированнойДНКвпронуклеус оплодотворенного яйца (J.W. Gordon и др.). В том же году была предложена методика эффективной трансформации культивируемых клеток млекопитающих микроинъекцией ДНК непосредственно в ядро. В 1982 году A. Spradling и G. Rubin

осуществили трансформацию у дрозофилы, используя систему мобильных P-элементов, которые были использованы как векторы. С тех пор эта методика стала магистральной. А в 1995 году В. Геринг (W. Gehring) осуществил удивительную трансформацию, введя мутантам по формированию глаз дрозофилы гибридную молекулу ДНК. Она содержала ген, контролирующий развитие глаза у мыши, который находился под контролемусилителятранскрипцииизгенома дрожжей. Система сработала, и у мух сформировались глаза.

Особую известность у общественности получилиэкспериментыпотакназываемому клонированию животных. В 1962 году английскийученыйДж.Гердон(J.B.Gurdon), поставив задачу выяснить сохраняется ли в дифференцированных клетках тот же самый набор генов, который имеет зигота, осуществил пересадку ядра из кишечника головастика в яйцо лягушки, из которого было удалено собственное ядро. В результате из такой гибридной яйцеклетки развилась нормальная фертильная лягушка. Это свидетельствовало о том, что ядра соматических и половых клеток качественно идентичны. А раз так, то в результате каждой трансплантации ядра можно получать новое животное, а трансплантации многих ядер из одного животного дают много животных, т.е. их клоны. В 1987 году группой ученых из Шотландии с помощью методики ядерныхтрансплантацийбылаполученаовца, всемирно известная Долли, в 1999 году ученыеизСШАклонировалимышь,авмарте 2000 года на свет появились сразу пять клонированныхпоросят.Помнениюавторов этой работы к 2005 году можно будет клонировать человека.

Таким образом, за один век, если считать по времени переоткрытия законов Менделя в 1900 году, генетика прошла путь от развития представлений о дискретности наследственности до фактического создания млекопитающих методами генетических манипуляций.

Рисунок 1.12

Обложка журнала “Труды Брюннского общества

испытателей природы”

1. Обычно считается, что работа Менделя не была известна современникам, т.к. нигде не обсуждалась с 1866 по 1900 год. Известно, однако, что Брюннское Общество испытателей природы обменивалось своими изданиями со 133 научными обществами и академиями Европы и Америки. Кроме того, Мендель получил из журнала 40 оттисков, которые разослал биологам, которым это могло быть интересно. Однако, и это не помогло. Как вспоминал Ф.Г. Добжанский в 1964 году, незадолго до этого один из крупных ботаников, разбирая библиотеку отца, тоже крупного ботаника, нашел оттиск статьи Менделя. Его страницы не были даже разрезаны. Еще один оттиск с сопровождающим письмом был послан другому крупному биологу, Карлу Негели (K. Nдgele), который сам занимался гибридизацией растений. В слегка нравоучительной манере Негели объяснил Менделю, что его результаты это только начало работы, что их нужно проверить на других видах.

В основном ботаническом журнале того времени - “Flora” - в 1867 году в перечне наиболее важных работ по ботанике приведены полные библиографические данные статьи Менделя. Эта библиографическая справка в журнале Flora вызвала значительный интерес у читателей и повышенный спрос на том “Трудов

Брюннского Общества испытателей природы”,

âкотором была статья Г. Менделя. Обнаружена ссылка на работу Г. Менделя

âбиблиографическом обзоре A. Besnard, опубликованном в журнале “Flora” в 1872 году. В справочнике ботанической литературы (Benjamin Dayden Jackson, 1881) содержится 13 ссылок на различные работы по гибридизации,

âтом числе на работу Г. Менделя.

Из личной переписки Г. Менделя и проф. К. Негели (апрель 1867 г.) стало известно, что после доклада Г. Менделя в Обществе естественных наук гор. Брно возникла дискуссия, во время которой мнения слушателей разделились. Эта дискуссия была отражена в местных газетах.

В целом за период с 1865 по 1900 год работы Менделя цитировали в научной литературе не менее 11-12 раз. Все это говорит о том, что работа Менделя не была неизвестной или тем более забытой (см. работы Weiling, 1969; Weinstein, 1977; Monaghan, Corcos, 1987).

2.В современной литературе высказывается все больше сомнений в том, что переоткрыватели законов Менделя не читали его работу до начала своих экспериментов (Corcos, Monaghan, 1987a,b,c; Monaghan, Corcos, 1987).

3.Довольно многие из историков, не находя четких формулировок законов непосредственно в статье Менделя, приходят к выводу, что Мендель не осознавал до конца глубины написанного им. Однако это не так. В письме проф. Муру (Moore) Мендель описывает результаты своих опытов с горохом и собщает об открытии им двух основных принципов наследования: закона расщепления и закона независимого распределения единиц наследования, названных в письме “элементами” (Amer. Zool. 6, N3, 749-752).

4. В 1936 году Р. Фишер опубликовал работу, в которой подверг сомнению результаты уже собственно экспериментов Г. Менделя, полагая, что полученные данные “слишком близки к идеальным соотношениям” (например, при изучении обратных скрещиваний частоты фенотипов практически не отличались от 1:1 и противоречат закономерностям нормального распределения. Фишер фактически обвинил Менделя в том, что последний, заранее зная исследуемую закономерность, умышленно или неумышленно, но “подогнал” экспериментальные данные. В настоящее время