Биологическое значение повторов генов в хромосоме

Какое биологическое значение имеет повторение идентичных генов в одной хромосоме? Как такое повторение может возникнуть?

Продукты довольно многих генов нужны в клетке в большом количестве, но обычно при этом вполне достаточно одной копии такого гена. Ведь с нее можно «списать» много копий информационной РНК, а по каждой из этих РНК построить много молекул белка. Для тех генов, которые кодируют не белок, а РНК (рибосомную, транспортную), такой механизм «усиления» в полной мере не работает, поэтому они представлены в клетке большим количеством копий. Иногда какого-то белка нужно не только много, но и к определенному сроку.
Так, белки, участвующие в укладке ДНК, срочно необходимы к началу репликации ДНК, а до этого будут только «мешать». В этом случае такие способы «усиления» оказываются слишком медленными, поскольку с одного гена одновременно можно «списать» лишь ограниченное количество информационных РНК, а по одной информационной PHK можно одновременно строить лишь ограниченное количество молекул белка. В этом случае тоже потребуется иметь несколько копий гена.

Подробнее...

Изменение последовательности нуклеотидов в ДНК

Как сказывается изменение последовательности нуклеотидов в ДНК на структуре и функциях белков?

Участками ДНК, изменение которых не вызвало бы изменения структуры и функций белка, могут быть так называемые «некодирующие последовательности». Например, такие последовательности составляют около 90% генома человека, и их функции пока остаются неизвестными — они не кодируют ни один белок.
Другой пример таких участков — гены, кодирующие не белки, а рибосомные или транспортные РНК. Изменение в кодирующей последовательности таких генов не вызовет каких-либо изменений в структуре белка. При этом, если т-РНК утратит способность переноса соответствующей аминокислоты, это в конечном счете скажется на структуре и функциях белка.
Возможен еще один случай: изменение могло произойти во внутренних, некодирующих последовательностях генов эукариот (так называемых интронах). При транскрипции интроны вырезаются из РНК — в этом состоит процесс сплайсинга. Матричная РНК, прошедшая сплайсинг, содержит только кодирующие последовательности. Изменения в интронах, следовательно, могут не повлиять на структуру и функции белка.
Учитывая особенности генетического кода, можно найти еще одну возможность осуществления данных условий: некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами, и часто третий нуклеотид не имеет существенного значения при узнавании триплета транспортной РНК (например, замена А–Г в триплете АГА на АГГ не изменит кодируемую аминокислоту — аргинин).
В некоторых случаях аминокислотные замены могут и происходить, но не приводить к существенному изменению структуры и функций белка. Случаем, когда такое изменение все же происходит, является серповидноклеточная анемия.

Генетические опыты

Какие свойства растений необходимы или полезны для проведения над ними генетических экспериментов. Среди каких систематических и экологических групп нужно искать растения с этими свойствами?

Сразу же отметим, что речь идет о растениях, на которых наиболее удобно изучать научные закономерности, а не о хозяйственно важных объектах, работать с которыми приходится независимо от их удобств. Понятно, что лучше всего работать с растениями с коротким жизненным циклом и большим количеством потомства, легко разводимыми в лабораторных условиях. Подходящие объекты у низших растений можно обнаружить среди одноклеточных водорослей, а у высших — среди эфемеров. (Зато высшие растения, способные многократно цвести и плодоносить, можно использовать для анализирующего скрещивания родителей с потомством.) Особенности полового размножения очень важны при работе с объектом. Так, горох оказался удобен тем, что строение его цветка защищает пестик от посторонней пыльцы, а самоопыление легко предотвратить, удаляя тычинки с незрелыми пыльниками. Цветковые растения нередко способны также к апомиксису — размножению без оплодотворения. Неучет апомиксиса способен полностью исказить анализ. (Так произошло с ястребинкой, на которой пытался подтвердить свои законы Мендель.) А вот переход к апомиксису, наступающий в определенных условиях, дает генетику дополнительные возможности. Способность к вегетативному, или бесполому, размножению также очень ценна, поскольку позволяет получить генетически однородные клоны.

Подробнее...

Развитие хромосомной теории наследственности

Существовала гипотеза, согласно которой хромосомы — это временные образования, собирающиеся из отдельных генов для обеспечения митоза и мейоза, а потом вновь распадающиеся. Какие известные Вам факты прямо или косвенно опровергают эту гипотезу?

Доказательством существования хромосом как структур, где расположены связанные друг с другом гены, может служить сцепление генов. Гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются сцепленно. При определении расстояния между ними методами генетического картирования получены однозначные результаты, повторяющиеся в разных опытах (картирование осуществляется на основе анализа результатов скрещиваний). Вряд ли хромосома перед каждым делением собирается заново из отдельных генов, а затем распадается вновь. Маловероятно, чтобы гены при каждой «сборке» располагались в строго закрепленной последовательности. Но даже если это происходит, то все равно возникают другие аргументы.
Пример — «эффект положения», когда проявление признака зависит не только от соответствующего гена, но и от расположения этого гена в хромосоме (он может быть перенесен в другой участок хромосомы) и от состояния соседних с ним участков генома. А ведь данный ген «работает» именно в интерфазе, между клеточными делениями, когда хромосома должна быть «разобрана». (У бактерий ДНК уложена по другому принципу, чем у эукариот, и нет хромосом, видимых в оптический микроскоп. Но, скорее всего, столь универсальное явление, как «сборка» и «разборка» на отдельные гены, должно происходить или не происходить для всех организмов. А у бактерий группа генов, управляемых одним регуляторным элементом, может считываться на общую т-РНК, хотя это происходит между делениями клеток. Это знали еще в 60-х годах.) Длина уложенной в хромосому ДНК весьма значительна, а в интерфазе она сильно расплетается, поэтому проследить непрерывность нити ДНК по всей длине с помощью электронного микроскопа сложно. Но на отдельных участках эта непрерывность видна вполне хорошо. (В некоторых тканях животных и растений, например в клетках слюнных желез дрозофилы, интерфазные хромосомы многократно удваиваются, не входя в митоз и не расходясь. Благодаря увеличивающейся толщине их можно наблюдать в световой микроскоп и убедиться в их видимой непрерывности.)

Подробнее...

Гипотеза «присутствия-отсутствия»

На заре развития генетики существовала гипотеза, согласно которой любая мутация является результатом «выпадения» гена из хромосомы (так называемая гипотеза «присутствия-отсутствия»). Какие известные Вам факты прямо или косвенно ее опровергают и почему в свое время все же были разделявшие эту гипотезу ученые?

Аргументом в пользу гипотезы «присутствия- отсутствия» могло быть исчезновение какой-либо функции при появлении мутации (например, утеря синтеза пигмента у альбиносов). Довод против этого аргумента — существование мутантов с ослабленным или усиленным проявлением какого-либо признака. Другой довод — восстановление дикого типа у мутантных особей (реверсии) в результате новой мутации. Вряд ли можно предположить, что ген «вернулся» на то же место, откуда был исключен. Представляется, что эти доводы не абсолютны. На проявление признака может влиять несколько генов, способных как усиливать его проявление, так и ослаблять или подавлять. В этом случае к подобным результатам может приводить и полное «выпадение» одного из этих генов. Но в ходе скрещиваний обычно можно установить, произошла ли, скажем, реверсия за счет мутации в том же гене или в новом.

Подробнее...

Полиплоидия

Почему полиплоидия встречается чаше у растений, чем у животных?

Для недавно образовавшегося полиплоида основная проблема — это размножение, так как в мейозе спариваются не две, а больше гомологичных хромосом и, как правило, нормально спариваться и разойтись к полюсам они не могут. Возникает и проблема нахождения полиплоидного партнера. Растения же обладают естественными механизмами сохранения полиплоидии: это вегетативное размножение и апомиксис. При апомиксисе образование зиготы происходит без оплодотворения (лишь иногда сперматозоиды служат для стимуляции деления зиготы). Названные механизмы способствуют сохранению полиплоидии в ряде поколений; не происходит «разрушения полиплоидов» из-за неправильного расхождения хромосом; у постоянных апомиксов мейоз практически выпадает. После образования полиплоидной популяции путем вегетативного размножения или апомиксиса возможны скрещивания внутри нее, если будут заново отрегулированы механизмы мейоза.

Полиплоидия у животных чаще искажает нормальный путь эмбрионального развития, не дает ему завершиться. Видимо, это связано с тем, что процессы развития и дифференцировки, отношения зародыша с материнским организмом у животных иные, чем у растений.

Кроме того, у полиплоидных организмов может быть нарушено определение пола, особенно для гетерогаметного пола. А разделение на два пола, особенно определенных генетически, чаще встречается у животных, чем у растений.

Плоидность организмов

Существуют организмы, которые большую часть жизненного цикла являются гаплоидными, диплоидными или полиплоидными. Какие преимущества имеет каждый из этих вариантов?

Рассмотрим преимущества гаплоидности на примере микроорганизмов. Бактерии содержат одну копию кольцевой хромосомы на клетку. Перед каждым делением хромосома удваивается и каждая копия переходит в одну из дочерних клеток. Любая благоприятная мутация, возникшая в одной из цепей ДНК, проявится при первом же делении клетки. Такая стратегия закрепления благоприятных мутаций дает микроорганизмам возможность быстро приспосабливаться к измененным условиям существования. Учитывая большую скорость размножения и короткий жизненный цикл микроорганизмов, можно предположить, что возникают хотя бы единичные мутанты, способные существовать в измененных условиях.

Подробнее...

Анализирующие скрещивание

Работая на крокодильей ферме, А. М. Чебурков изучал генетику характера крокодилов. Вывести чистую линию грустных крокодилов ему не удалось, так как в потомстве все время появлялись и веселые крокодильчики. Тогда он стал скрещивать грустных крокодилов с веселыми. В многочисленном потомстве от каждой пары он получал и веселых, и грустных крокодильчиков примерно в равном соотношении.

Алексей Михайлович предложил такую схему определения исследуемого признака:
гг — веселый крокодил;
Гг — грустный крокодил;
ГГ — леталь, гибнет до рождения.

Все грустные крокодилы — гетерозиготы, отчего их чистая линия и не выводится. При скрещивании с веселыми гомозиготами они дают расщепление 1:1. Что еще следовало проверить А. М. Чебуркову, чтобы сделать такой вывод? Можно ли иначе трактовать полученные им результаты?

Сначала подойдем к условиям задачи с чисто формальной точки зрения. Для выяснения правильности предложенной схемы веселых крокодилов тоже следовало проверить на гомозиготность, попытаться вывести их чистую линию, следовало посмотреть расщепление в скрещивании грустный × грустный. Если схемы выполняются, то ожидается 2:1. В этом скрещивании должно быть меньше потомства. Не исключено, что часть яиц окажется невылупившейся (если потомство гибнет на этой стадии). Возможно, что при изменении условий развития часть гомозигот ГГ можно было бы довести до вылупления. Была сделана грубая ошибка: в скрещивании Чебурков не обратил внимания на пол родителей. Результаты скрещиваний не были статистически обработаны, а ведь говорить с определенностью о том, что результаты соответствуют какому-либо расщеплению или что отсутствие какого-либо класса потомков не случайно, можно только после статистической обработки.

Поэтому не исключена возможность двух вариантов: 1) обе гомозиготы ГГ и гг являются веселыми крокодилами, а Гг — грустный; 2) схема наследования — та же, но ген сцеплен с полом (для того чтобы при этом распределении в скрещивании веселый X грустный было 1:1, нужно, чтобы самцы ГГ выживали, а самки ГГ — нет).

Теперь подойдем к задаче менее формально. Для анализа выбран очень своеобразный признак, разница в котором вряд ли может определяться парой аллелей одного гена. Разве что гетерозиготы чем-то больны, и это дурно влияет на их характер. Во всяком случае, этот признак следует определять не на глазок, а в экспериментах, проводимых по одной и той же четкой схеме. А мы даже не знаем, определялся ли он у родителей и потомства в одном и том же возрасте. (Некоторые наследственные болезни обычно развиваются не раньше определенного возраста.) Можно вообще предположить, что от генотипа этот признак практически не зависит, а определяется случайными вариациями среды в ходе развития (например, расположено яйцо в центре кладки, где теплее, или на периферии) либо непосредственно перед опытом (успешно крокодил пообедал или нет). Если такие вариации в результате дают веселых и грустных крокодилов примерно поровну, то данные опытов хорошо ими объясняются.

Определение генотипа

У дрозофил, гомозиготных по аллелю tr, из жужжалец могут возникать дополнительные крылья, причем имеет место неполное проявление, то есть из n мух, гомозиготных по tr, примерно pn мух имеют лишнее крыло на левой стороне тела и столько же мух — на правой. Проявление гена на одной стороне тела не зависит от его проявления на другой. При скрещивании двух фенотипически нормальных мух было получено:

genetics584

Каковы генотипы родителей и приблизительная оценка p?

Аллель tr — рецессивный и с неполным проявлением, поэтому мы не можем сразу определить генотип двукрылых мух. Они могут быть гомо- или гетерозиготами по нормальному аллелю, а также гомозиготами по tr, у которых мутация не проявилась ни на одной стороне тела. Все трех- и четырехкрылые мухи имеют генотип trtr.

Пусть среди потомства имеется n мух, гомозиготных по tr. Тогда, поскольку проявление мутации на одной стороне тела не зависит от ее проявления на другой стороне, вероятность появления мутации на каждой из сторон тела — p. Вероятность непроявления мутации на одной стороне тела равна (1—p). Среди n мух будет примерно p2n четырехкрылых мух: (p/1 — p/n) мух с «лишним» левым крылом и столько же — с «лишним» правым. Мух с двумя крыльями среди них будет (1—p)2n.

Ясно, что ожидаемое число фенотипически нормальных, но гомозиготных по tr мух можно найти, перемножив количество трехкрылых мух обоих типов и разделив на число четырехкрылых мух:

genetics584

Всех же мух с нормальным фенотипом, но неизвестным генотипом 190 (расхождение статистически недостоверное), поэтому можно сделать вывод, что все потомство, в том числе и двукрылое, гомозиготно по tr, и таков же генотип его родителей, p можно найти после этого разными способами, например по наибольшему классу, так как тогда ошибка будет меньше.

n(1 — p) 2 = 190;

n = 190 + 30 +32 + 5 = 257;

(1 — p) = 0,74;

p = 0,16

Заметим, что такая мутация реально существует и обладает описанными свойствами.

Доминантные и рецессивные признаки

Возможна ли ситуация, когда признак, определенный одним и тем же геном, является доминантным у части особей данного вида и рецессивным у других особей того же вида? Если возможна, то в каких случаях; если невозможна, то почему?

Пример такой ситуации — признаки, проявление которых зависит от пола. Активность генов, определяющих такие признаки, зависит от уровня половых гормонов. Например, гены, обусловливающие выпадение волос у человека. Плешивость является доминантным признаком у мужчин и рецессивным у женщин. У мужчин, гетерозиготных по этому гену, плешивость будет проявляться. У женщин же, даже гомозиготных по гену, определяющему плешивость, этот признак выражен слабее. Заметим, что ген расположен в аутосоме, хотя его проявление зависит от пола.

На проявление гена, а значит, и на доминантность или рецессивность признака, обусловленного определенным аллелем, могут влиять также и другие гены организма, «генная среда». Пример ее действия — промышленный меланизм у березовой пяденицы. В районах, не подвергавшихся загрязнению, для светлой и темной форм имеет место неполное доминирование. В промышленных же районах темная форма (более в них выгодная) полностью доминирует над светлой, гетерозиготы являются столь же темными, как и гомозиготы. По-видимому, отбор привел не только к изменению частоты, отвечающего за меланизм аллеля, но изменил и «генную среду», на фоне которой он проявляется. Доказывается это тем, что при скрещивании темных бабочек, пойманных в Англии, со светлыми из Канады («генная среда» иная) у потомков наблюдается промежуточная окраска, полного доминирования нет.

В ряде случаев доминирование зависит от внешних условий. Примером может быть серповидноклеточная анемия. При этой болезни белковая цепь гемоглобина, закодированная мутантным геном, имеет одну аминокислотную замену. Такие белковые цепи легко приобретают аномальную пространственную структуру, особенно при пониженном давлении О2.

Эритроциты, в которых много молекул гемоглобина «сложилось» таким образом, становятся серповидными, не могут эффективно переносить кислород. На уровне организма это проявляется как анемия (кислородное голодание). У гетерозигот по этой мутации анемия, как правило, не проявляется, хотя в состав части их молекул гемоглобина входят и белковые цепи, закодированные мутантным геном. Однако при пониженном давлении О2 (в горах, при подъеме на большие высоты) анемия может развиваться и у гетерозигот.