Актуальные вопросы современной генетики. Учебная программа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДЫ ОБЩЕСТВА И ЧЕЛОВЕКА
«ДУБНА»
КАФЕДРА БИОФИЗИКИ
УТВЕРЖДАЮ:
заведующий кафедрой биофизики
профессор Е.А. Красавин _____________
«……….» ………………………… 2009 г.
Актуальные вопросы современной генетики
Учебная программа
По специальности: «Биофизика»
Составитель: доцент А.К. Гришанин
Дубна – 2009
Печатается по решению кафедры биофизики
Университета «Дубна»
Настоящая
программа
курса
«Актуальные
вопросы
современной
генетики»
федерального компонента цикла ОПД.Ф. 01 (Наука о биологическом многообразии)
составлена в соответствии с государственным стандартом высшего профессионального
образования второго поколения по специальности «Биофизика».
1. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКСА
1. Содержание учебно-методического комплекса ..............................
2
2. Учебная программа ............................................................................
3
2.1. Содержание курса ..........................................................................
4
2.2.Тематический план лекционного курса и практических занятий ......
86
2.3. Список рекомендуемой литературы ...........................................
87
3. Методические рекомендации по организации самостоятельной работы 89
студентов при изучении курса «Актуальные вопросы современной
генетики»
4. Темы контрольных работ
90
5. Требования к зачету или экзамену, список вопросов ....................
94
© Университет «Дубна»
2
2. Учебная программа
Программа курса «Актуальные вопросы современной генетики» разработана на основании
Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования. В
соответствии с «Концепцией модернизации российского образования на период до 2010
года», основной задачей высшего профессионального образования является «подготовка
квалифицированного работника соответствующего уровня и профиля, конкурентоспособного
на рынке труда, компетентного, ответственного, свободно владеющего своей профессией и
ориентированного в смежных областях деятельности, способного к эффективной работе по
специальности на уровне мировых стандартов, готового к постоянному профессиональному
росту, социальной и профессиональной мобильности; удовлетворение потребностей личности
в получении соответствующего образования». Реализация поставленной задачи предполагает
как повышение роли самостоятельной работы студентов над учебным материалом, так и
усиление ответственности преподавателей за развитие навыков самостоятельной работы, за
стимулирование профессионального роста студентов, воспитание их творческой активности и
инициативы. Таким образом, увеличение доли самостоятельной работы студентов требует
соответствующей реорганизации учебного процесса, модернизации учебно-методической
документации, разработки новых дидактических подходов для глубокого самостоятельного
освоения учебного материала.
Пояснительная записка
1.
Цель курса «Актуальные вопросы современной генетики» - изучение студентами
кафедры «биофизика» фундаментальных основ общей генетики как науки о
наследственности и изменчивости организмов.
2.
Задачи курса: изучение материальных основ наследственности и изменчивости, метода
генетического анализа, механизмов реализации наследственной информации в
онтогенезе и передачи наследственных свойств в ряду поколений.
В настоящее время генетика составляет фундамент современной биологии, и изучение
этой
науки
дает
возможность
получить
целостное
представление
о
строении
и
функционировании живых систем. Именно генетика объединяет такие общебиологические
дисциплины, как анатомия и морфология, физиология и эмбриология, в единую науку биологию. Изучение генетики базируется на экспериментальном подходе к природным
3
процессам и явлениям, поэтому данный курс способствует формированию у студентов
подлинно научного мировоззрения.
2.1. Содержание курса
2.1.1. Предмет генетики
Генетика изучает закономерности наследования признаков живых организмов и их
изменчивости. Нам кажется вполне естественным, что у кошек рождаются всегда только
котята, а у собак только щенки и не наоборот. Мы также не удивляемся различиям в окрасе
или росте среди потомства каких-либо животных. Единство строения и функций всех органов
родителей и потомства одного вида живых организмов, с одной стороны, и небольшие
различия в морфологии и физиологии, с другой стороны, определяются организацией
генетического материала (молекулы ДНК), его самовоспроизведением (репликацией) и
экспрессией
(транскрипцией).
Генетика,
развиваясь,
дала
такие
дисциплины
как
молекулярная биология, генная инженерия, биотехнология.
Краткая история генетики
Первые гипотезы о механизмах наследственности появились у древних греков. В Y
веке до н.э. Гиппократ высказал теорию прямого наследования признаков, предполагающую
существование половых задатков, формирующихся во всех органах организма. Гиппократ
считал, что половые задатки непосредственно передаются потомку, при этом здоровые
органы передают здоровый материал, а больные передают материал, пораженный болезнью.
Позже, в IY веке до нашей эры, Аристотель высказал концепцию непрямого наследования,
согласно которой половые задатки производятся не из соответствующих органов, а из
питательных веществ, необходимых этим органам. Много лет спустя, в конце XYIII-го начале
XIX-го веков, выдающийся биолог Ж.Б. Ламарк использовал представления Гиппократа для
построения своей теории передачи потомству признаков, приобретенных в течение жизни.
Представления Гиппократа также легли в основу теории пангенеза Ч. Дарвина, высказанную
им в 1868 году. Дарвин предположил, что от всех органов организма отделяются мельчайшие
частицы «геммулы», которые с током крови циркулируют по всему организму, достигая
половых клеток. После слияния половых клеток, во время развития из оплодотворенной
яйцеклетки организма геммулы превращаются в клетки того типа, из которого произошли, со
всеми особенностями, приобретенными в течение жизни родителей. Предположения Ч.
Дарвина опроверг его двоюродный брат Ф. Голтон. Он переливал кровь черных кроликов
белым, а затем скрещивал белых между собой. В трех поколениях от опытных белых
4
кроликов он не получил не только ни одного черного кролика, но даже ни малейших черных
пятен, что полностью опровергало теорию пангенеза Ч. Дарвина.
Вейсман противопоставил теории пангенеза Дарвина свою теорию, согласно которой
явление диминуции хроматина (ДХ) (открытое в 1887г. Т. Бовери) определяет направление
дифференцировки клеток. По мнению Вейсмана, из разных бластомеров аскарид в процессе
ДХ удаляются разные гены, и таким образом ДХ формирует генетический портрет тканевых
клеток. Из одних бластомеров удаляются все детерминанты (вещества определяющие тот или
иной процесс в развивающемся зародыше) кроме, кодирующих, допустим, гемоглобин, а из
других – все детерминанты, кроме тех, которые связаны с мышечным сокращением, и т.д.
Полный набор детерминантов сохраняется только в клетках зародышевой линии
(зародышевой плазмы), которая представляет собой связующее генетическое звено между
поколениями организмов, притом с соматическим окружением данной особи информационно
фактически не связанным. Все тело особи (сома) в этом случае представляет собой лишь
вместилище «зародышевой плазмы». В дальнейшем открытия, сделанные в области генетики
и биологии развития показали ошибочность представлений Вейсмана.
И только лишь Г. Мендель в своей фундаментальной работе, посвященной
наследованию признаков у растений "Опыты над растительными гибридами", которая
увидела свет в 1865, сумел определить закономерности наследования признаков у гороха и
положил начало новой науки – генетики. Вторичное открытие законов Менделя в 1900 г. Г. де
Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии подтвердило
открытые Менделем закономерности и утвердило представление о существовании
дискретных наследственных факторах. В 1903 г. Т. Бовери и У. Сэттон, анализируя поведение
хромосом во время созревания половых клеток, а также при оплодотворении, предположили,
что гены локализованы в хромосомах.
В 1906 г. англичанин У. Бэтсон (W. Bateson) предложил термин «генетика» (от латинского
слова «Genetecos» – относящийся к происхождению). В 1909 г. датчанин Иогансен
предложил термины «ген», «генотип», «фенотип».
В 1910 г. Т. Морган вместе со своими учениками А. Стертевантом, К. Бриджесом и Г.
Меллером сформулировал хромосомную теорию наследственности, согласно которой гены
имеют линейное расположение в хромосоме, как бусы на нитке. Были определены порядок
расположения некоторых генов, и относительное расстояние между ними.
В 1925 г. Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в опытах с грибами показали возможность
искусственного получения мутаций под действием ионизирующего излучения. Позже в
1927г. Меллер также показал возможность индукции мутаций рентгеновским излучением.
5
В 1929 г. А.С. Серебровский и Н.П. Дубинин на основании собственных исследований
пришли к выводу о делимости гена и его сложной организации.
В 1941 г. Дж. Бидл и Э. Тейтум сделали заключение о том, что один ген определяет синтез
одного фермента.
В 1944 г. О. Эйвери, К. МакЛеод и М. МакКарти, исследуя трансформацию пневмококков,
показали, что носителем наследственной информации является ДНК. Позже в 1952 г. ряд
авторов подтвердили этот вывод.
В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик расшифровали структуру ДНК и создали ее модель.
В 1958 г. Ф. Крик сформулировал принцип передачи генетической информации: ДНК → РНК
→ белок.
Следующим важным шагом была расшифровка генетического кода. Проблему эту
сформулировал физик Г. Гамов в 1954 г., а ответ нашли в 1961году М. Ниренберг, Р. Холли,
Г. Хорана, а также Ф. Крик и
С. Бреннер с сотрудниками. Это позволило обосновать
принципы хранения и передачи наследственной информации у живых существ.
В 1969г. Г. Хорана с сотрудниками синтезировали первый ген химическим путем.
В 1977г. П. Робертс и Ф. Шарп установили, что гены состоят из экзонов (кодирующей части)
и интронов (некодирующей части) и открыли явление сплайсинга.
Отечественная генетика в начале 20–го века.
13 сентября 1913 года ректор С. Петербургского университета проф. Э.Д. Гримм
объявил
студентам
и
преподавателям
естественного
отделения
С.Петербургского
университета о том, что 18 сентября приват-доцент С-П. университета Юрий Александрович
Филипченко прочитает вступительную лекцию к впервые введенному в университете России
курсу «Учение о наследственности и эволюции». В 1919г. Ю.А. Филипченко основал кафедру
генетики, которой руководил до конца жизни.
Генетика как самостоятельная научная дисциплина стала развиваться в нашей стране
фактически после Октябрьской социалистической революции. Российские ученые внесли
важный вклад в разработку хромосомной теории наследственности, включившись в мировой
поток наиболее важных генетических исследований. Вклад российских биологов в развитие
генетики был столь существенен, что биология занимала самые передовые позиции в науке
молодого советского государства.
К числу наиболее крупных достижений следует отнести работы Н.И. Вавилова, прежде
всего открытие им закона гомологических рядов в наследственной изменчивости, который не
только сыграл огромную роль в изучении эволюции и систематики культурных растений, но
и открыл новые пути для селекции возделываемых культур. Н. И. Вавилов разработал также
6
теорию происхождения культурных растений и собрал уникальную коллекцию растений,
создав основу для дальнейшей селекционной работы. Надо подчеркнуть, что многочисленные
экспедиции Н.И. Вавилова для сбора коллекций вовсе не были чисто ботаническим
мероприятием. Это была работа, без которой не могли дальше развиваться полноценно ни
фундаментальная биология, ни прикладная ботаника и селекция.
Вслед за Н.И. Вавиловым надо упомянуть С.С. Четверикова. Его трудами было
положено начало современной эволюционной и популяционной генетики.
В 1925 г. Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов показали возможность искусственного
получения мутаций (что в дальнейшем было блестяще подтверждено американским
генетиком Г. Меллером, получившим за свои работы Нобелевскую премию). Значительный
вклад в изучение мутационных процессов внесли С. С. Четвериков, Н. В. ТимофеевРесовский и другие.
Г.Д. Карпеченко – молодой талантливый ученик Н. И. Вавилова – начал успешные
исследования по отдаленной гибридизации и получению полиплоидных форм растений.
Получение им межродового полиплоидного капустно-редечного гибрида было открытием
выдающегося теоретического и практического значения.
Важные исследования по цитогенетике партеногенеза (Н.К. Кольцов) и радиационному
мутагенезу (Б.Л. Астауров) получили в дальнейшем развитие в работах по искусственному
партеногенезу, в частности по регулированию пола у тутового шелкопряда, что обеспечивало
резкое повышение производства шелка.
Фундаментальное значение имели исследования, связанные с изучением структуры и
функций генов, они открывали путь к формированию молекулярной биологии и
молекулярной генетики. Уже в 20-х гг. были предприняты попытки определить размеры гена
(А. С. Серебровский), что привело в дальнейшем к экспериментам Н. В. ТимофееваРесовского, и фундаментальным заключениям о природе гена, его «молекулярным» размерам
и спиральной структуре, сделанным участниками Клампенборгской школы по биологии,
которую собирал в 30-х гг. Н. Бор и активное участие в которой принимал Н.В. ТимофеевРесовский.
Еще одна далеко опережающая науку гипотеза была высказана в 1928 г. Н.К.
Кольцовым. Он предсказал матричный механизм репродуцирования генов и биосинтеза
белков. Лишь в 1953 г. эта идея получила окончательное подтверждение в работах Д.Уотсона
и Ф.Крика, создавших знаменитую «двойную спираль» – модель молекулы ДНК и
разработавших принципы процессов репликации.
Ряд фундаментальных понятий современной генетики («кариотип», «генофонд»,
«микро-» и «макроэволюция») были введены советскими учеными. Описанные Н. П.
7
Дубининым «генетико-автоматические процессы» впоследствии вошли в науку под
названием «дрейф генов», предложенным С. Райтом.
Уже в те годы наметилось одно важное отличие советской генетики от генетики
мировой. Новая наука генетика находилась тогда в фазе становления, и от нее трудно было
ожидать быстрых практических результатов. Но российская генетика оказалась значительно
более продвинутой вперед именно в получении практических результатов. Это было связано
как с традициями русской биологии – связь с общим прогрессом ботаники, зоологии,
эволюционная направленность теоретического осмысления результатов, так и с новыми
веяниями – ориентированностью на практику, глубокой заинтересованностью в укреплении
научной базы сельского хозяйства. Все это открывало путь к созданию десятков новых сортов
сельскохозяйственных культур. И все это было подхвачено и развито за рубежом, стало
основой, так называемой зеленой революции, которая не только решила для многих стран
продовольственную проблему, но и превратила их из импортеров продовольствия в крупных
экспортеров. Можно привести лишь один пример. В США гибридное семеноводство
кукурузы, основанное на явлении цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС),
привело к удвоению урожайности. А это явление было открыто в 1930 г. М. И. Хаджиновым в
СССР во Всесоюзном институте растениеводства, затем, в 1933 г., исследовано М. Родсом в
США.
Ближе других российские ученые подошли к получению практических достижений в
генетике человека и медицинской генетике (работы Ю.А. Филипченко, Н.К. Кольцова, С.Г.
Левита, С.Н. Давиденкова и других). Работы С. Н. Давиденкова нашли практическое
воплощение в генетике нервных болезней, генетических основах психиатрии, феногенетике
болезней. Главным центром этих исследований был Медико-генетический институт,
возглавляемый С. Г. Левитом. Этот институт был крупнейшим среди центров мировой
генетики. Другим центром, использовавшим идеи генетики для решения практических задач
педагогики, был Ленинградский педагогический институт. Третьим центром был Ленинградский государственный институт усовершенствования врачей, где с 1932 г. разворачивались
работы С. Н. Давиденкова, имевшие практическую направленность.
Современная
биотехнология,
генетическая
инженерия,
иммунология,
прогресс
медицины – все это закладывалось исследованиями тех лет. Работы С.С. Четверикова, Н.П.
Дубинина, Д.Д. Ромашова и других составили основу синтетической теории эволюции и
привели к ряду важных обобщений в современной биологии (теория нейтральной эволюции,
теория молекулярных часов и т. д.). Не меньшее значение имели начавшиеся в нашей стране
разработки представлений о природе гена, его действии, о механизмах модификационной
изменчивости, теории экспериментального мутагенеза. Генетические методы борьбы с вред8
ными насекомыми, разрабатывавшиеся А. С. Серебряковым, представляли собой зачатки
экологически чистого сельского хозяйства.
Феномен лысенковщины в истории отечественной генетики
Лысенковщина проявлялась в различных исторических условиях, пройдя три этапа
своего существования. Первый этап – 20-е – 40-е годы. Второй – от сессии ВАСХНИЛ 1948 г.
до начала 50-х гг. Третий – после смерти Сталина до 1964 г.
Т. Д. Лысенко в 1925 г. на Азербайджанской (Ганджинской) опытной станции начал
опыты по проращиванию семян растений при низких температурах. Он при этом не знал о
том, что такие опыты давно ведет во Всесоюзном институте растениеводства Н.А. Максимов
(в 1930 г. он получил за свои работы премию им. В. И. Ленина), и что еще раньше это явление
изучал немецкий физиолог Г. Гасснер. Лысенко, высевая озимые зимой или ранней весной,
добивался, чтобы они выколашивались в один год, как яровые. При этом он заметил, что для
яровизации (это название предложил Лысенко) необходимо не просто воздействие низких
температур, но определенная длительность их воздействия (от нескольких дней при посеве
ранней весной, до нескольких месяцев при посеве осенью или зимой). Н.И. Вавилов
поддержал молодого агронома. В 1929 г. Лысенко доложил о своих работах на Всесоюзном
съезде по генетике, селекции, семеноводству и племенному животноводству, и в том же году
предложил Наркомзему УССР внедрить яровизацию в практику. Это предложение было
принято, так как в холодные зимы 1927–1928 гг. наблюдалась массовая гибель озимых.
Лысенко предложили возглавить отдел физиологии в Одесском селекционно-генетическом
институте.
Массовые мероприятия по яровизации, перенесенные на поля страны, закончились
провалом. Но Лысенко объяснил неудачи сначала неточностями инструкций, а затем
неточностью выполнения исправленных инструкций. Однако предложения Лысенко были
разрекламированы в печати и, вопреки очевидности, были объявлены «переворотом в
зерновом хозяйстве» страны. Под явление яровизации Лысенко подвел «теоретическую» базу,
предложив универсальную, как он утверждал, теорию стадийного развития растений. В 1931г.
на Коллегии Наркомзема СССР с докладом выступил Н. И. Вавилов, где впервые публично
высказал свое мнение о работах Лысенко и его теории стадийного развития. Стремлению
сразу внедрять свои предложения в практику без должной научной проверки, как это делал
Лысенко, Вавилов противопоставил программу прикладных научных исследований,
гарантировавшую практическую эффективность предлагаемых им (Вавиловым) разработок,
направленных на выведение новых сортов сельскохозяйственных культур. Вместе с тем Ва-
9
вилов доброжелательно относился к Лысенко, отдавая должное его энергии, он рекомендовал
его в Академию наук УССР, а затем в члены-корреспонденты АН СССР.
Однако в эти трудные годы в решении серьезнейших проблем биологии и сельского
хозяйства научный подход начал подменяться примитивно понимаемым критерием практики.
Ученые во главе с Н.И. Вавиловым боролись за создание подлинно научных основ сельского
хозяйства. Но представители сельскохозяйственной практики интересовались быстрыми
практическими результатами, а их широко обещал Лысенко. Примером может служить запрос
Наркома земледелия СССР Я. А. Яковлева в 1931 г. на заседании коллегии НКЗ СССР
относительно засухоустойчивых сортов пшеницы, остро необходимых стране. В ответ Г.Д.
Карпеченко дал взвешенную справку о сроках получения такого сорта – 7– 8 лет. Однако
Лысенко обещал вывести новые сорта за 3 года. В основе этих разногласий лежал
принципиальный вопрос: Лысенко считал, что так называемые благоприобретенные признаки
наследуются организмом, а генетики знали, что это не соответствует действительности.
В конце 20-х – начале 30-х гг. генетика еще только утверждалась в биологии. Среди
биологов было достаточно много ламаркистов – приверженцев представлений о возможности
наследования благоприобретенных признаков. Однако дискуссии между ними и генетиками
(они шли не только в среде биологов, но активно обсуждались и философами) носили
научный характер: главными аргументами были эксперименты. Но в конце 20-х гг. характер
дискуссий стал заметно меняться, «началась работа по «социалистической реконструкции»
биологии, по выправлению в ней «генеральной линии», по «внедрению в нее диалектического
метода». На первом этапе работы в ней активную роль играла философия, в которой
происходили жаркие дискуссии и борьба за лидерство на «философском фронте». Итогом
этой борьбы, закончившейся в 1930 г., стало безраздельное господство философии
сталинской эпохи – крайне идеологизированного и вульгаризированного марксизма.
В этих условиях развернулась
критика Н. И. Вавилова, сначала в стенах ВИРа, где
после создания аспирантуры ВАСХНИЛ сформировалась группа мало подготовленной молодежи, прикрывающей свои незнание и неумение крикливой критикой в адрес руководства
института. В 1934 г., при реорганизации ВАСХНИЛ Наркоматом земледелия, была предпринята попытка возложить ответственность за провал многих практических мероприятий на
науку, что вызвало резкие возражения Н. И. Вавилова. Но преследования его уже начались –
был отменен юбилей ВИРа и празднование 25-летия творческой деятельности Н. И. Вавилова.
Именно в это время в дискуссию между ламаркистами и генетиками включился
Лысенко. Главным его помощником в этом деле стал И. И. Презент. Свою позицию Лысенко
укреплял, однако, отнюдь не экспериментами, доступными проверке, а выдвижением все
10
новых и новых практических рекомендаций и формированием (с участием Презента)
собственного «учения».
«Новые приемы браковки в селекционном процессе», так же, как и «совершенно новая
постановка вопросов семеноводства» были вторжением из селекции в проблемы наследственности, причем очень опасным, так как грозили разрушить всю систему семеноводства. Эти
вопросы можно было бы обсуждать и решать на основе опытной проверки, но Лысенко и его
сторонники ставили перед собой совсем другие цели. И. И. Презент прямо говорил, что они
не будут дискутировать со своими противниками, а будут их «разоблачать». Цель
лысенковцев была ясна – административное утверждение главенства в биологической и
сельскохозяйственной науке.
В феврале 1935 г. Т. Д. Лысенко выступил на II-м Съезде колхозников-ударников.
Когда он говорил о «вредителях и кулаках» в науке, о «классовой борьбе на фронте
яровизации», присутствовавший на заседании Сталин воскликнул: «Браво, товарищ Лысенко,
браво!»
Это был переломный момент: получив поддержку Сталина, Лысенко уже не заботился
о научной стороне дискуссий, она стала играть второстепенную роль, а иногда вообще
использовалась для маскировки расправ с противниками лысенковщины. По существу, все
так называемые дискуссии в биологии, начиная с IV сессии ВАСХНИЛ 1936 г. и кончая
августовской сессией ВАСХНИЛ 1948 г., научными дискуссиями не являлись. Лысенковцы
противопоставляли научным аргументам идеологические лозунги или прямое наклеивание
политических ярлыков. Н. И. Вавилов и его сторонники относились к дискуссиям весьма
серьезно, их научные аргументы представляли несомненную научную ценность и правильно
ориентировали в научной оценке ситуации. Генетики верили в то, что им удастся убедить
общественность и руководство страны в гибельности призывов Лысенко.
Однако условия, в которых происходили научные споры, не благоприятствовали
проведению научных дискуссий.
В поднятой в прессе кампании, возглавляемой Лысенко и Презентом, сначала
изображали генетиков научными противниками «мичуринской биологии», позднее – как
носителей буржуазной идеологии, и, наконец – как «врагов народа», политических противников советского строя. Острие этих атак было направлено против Н.И. Вавилова.
Призывы Н. И. Вавилова проверить правоту дискутирующих сторон опытом не
устраивали Лысенко. Тем более, что успехи генетики привели к тому, что ряд биологовмарксистов, убедившись в правоте генетиков, отошли от ламаркизма (С.Г. Левит, И.И. Агол,
В.Н. Слепков и другие). Критическая проверка взглядов Лысенко могла привести к ситуации,
когда ему пришлось бы «платить по векселям».
11
В 1933 г. Н.И. Вавилов, возвратившись в ВИР из экспедиции по Северной и Южной
Америке, узнал, что 18 его сотрудников арестованы. Он пытался защитить коллег. Однако последовало распоряжение лишить Вавилова права выезда за границу в экспедиции. В 1934 г.
было внезапно (за 4 дня до торжества) отменено празднование 10-летия ВИРа. В 1935 г. Н. И.
Вавилов был смещен с поста президента ВАСХНИЛ и выведен из числа членов ВЦИК. В
1936 г. состоялась IV сессия ВАСХНИЛ, на которой наиболее крупные растениеводы страны
подвергли уничтожающей критике ряд положений Лысенко. Однако Лысенко предпринял все
меры, чтобы научную дискуссию на сессии превратить в дискуссию идеологического и философского характера. Вскоре значительная часть специалистов, критиковавших линию Лысенко, были арестованы и расстреляны.
Выступления против Н. И. Вавилова и генетиков в 1938–1939 гг. приобрели характер
травли. Были арестованы и затем расстреляны преемники Вавилова на посту президента
ВАСХНИЛ Г.К. Мейстер и А.И. Муралов. Аресту А.И. Муралова предшествовала кампания
по выявлению в ВАСХНИЛ «врагов народа». На активе ВАСХНИЛ Лысенко и Презент
разоблачили «крупные ошибки» Муралова, которые сводились лишь к тому, что он не
поддерживал их безоговорочно. В газете «Соцземледелие» 11 января 1938 г. была
опубликована статья «Оздоровить академию сельскохозяйственных наук, беспощадно
выкорчевать врагов и их охвостье из научных учреждений». Во «враги народа» попали Н. И.
Вавилов, М. М. Завадовский, П. Н. Константинов. Даже Академия наук СССР вынесла в
1938г. решение с обвинениями в адрес Н. И. Вавилова: «Институт генетики АН СССР не
только не боролся с враждебными вылазками на биологическом фронте, но объективно
способствует развитию таких возможностей. Основной причиной такой работы института
является то, что в основу его деятельности была положена теория Н. И. Вавилова – «закон
гомологических рядов», которая с известными поправками признается им и теперь, а также
то, что институт игнорировал в своей работе теоретические достижения крупнейших
биологов советской науки – Мичурина и Лысенко». Т.Д. Лысенко и его сторонники сделали
все возможное, чтобы сорвать Международный генетический конгресс, проведение которого
было намечено в Москве. Этот конгресс был единственной возможностью для Н. И. Вавилова
выступить перед компетентной аудиторией, показать истинное значение новейших направлений биологии и вообще фундаментальной науки для ельскохозяйственной практики, продемонстрировать высочайший международный авторитет советской генетики.
В начале 1939 г, Лысенко был избран действительным членом Академии наук СССР
(И.В. Сталин – почетным членом АН СССР). В результате всех этих целенаправленных действий и событий Лысенко удалось утвердить свое направление. «Мичуринская агробиология»
быстро превращается из натуралистической концепции в вульгарную науку «колхозно12
совхозного строя», в ней нарастает антрепренерский стиль деятельности – готовность браться
за любые угодные властям задачи – от получения сортов ветвистой пшеницы до научнополитических задач по внедрению плановости в науку, очистки ее от вредителей и т. п.» Вся
эта деятельность сопровождалась мерами административного и партийного воздействия,
часто завершавшимися арестами и гибелью ученых.
Список арестованных в эти годы включает большое число людей. Его открывает Н.И.
Вавилов. Он был арестован 6 августа 1940 г. во время экспедиции в Западную Украину. 9
июля 1941 г. он был приговорен к расстрелу, который был заменен длительным сроком
заключения. Н.И. Вавилов умер от истощения в Саратовской тюрьме 26 января 1943 г. в
возрасте 55 лет.
Репрессированы были
многие
ученые: Н. М. Тулайков, Г. А. Левитский, Л. И.
Говоров, С. Г. Левит, Г. Д. Карпеченко, И. И. Агол, М. Л. Левин, Г. К. Мейстер, С. С.
Четвериков, В. В. Таланов, С. А. Бондаренко, Н. К. Беляев и многие другие. Репрессии
коснулись и простых работников ВАСХНИЛ, селекционных и агрономических станций.
Административными методами была пресечена деятельность и жизнь Н. К. Кольцова.
Возглавляемый им Институт экспериментальной биологии был реорганизован, после чего Н.
К. Кольцов скоропостижно скончался (1940 г.).
Фактически уже в конце 30-х гг. Лысенко монополизировал значительные области
биологии. К 40-м гг. ему не противостоял ни один крупный противник с таким международным научным авторитетом, какой имели Н. И. Вавилов или Н.К. Кольцов. Он уже мог не
опасаться разоблачений со стороны агрономии и агрохимии (Т. Д. Лысенко получил
поддержку В.Р. Вильямса), экономики сельского хозяйства (она понесла невосполнимые
утраты после уничтожения А.В. Чаянова, Н.Д. Кондратьева и их последователей).
Сторонники использования математических методов в экологии были рассеяны в результате
гонений на одного из основоположников современной экологии – В.В. Станчинского.
Директор Института микробиологии АН СССР Г.А. Надсон, открывший радиационный
мутагенез, был расстрелян в 1940 г.
Важнейшим ущербом, который был нанесен Т.Д. Лысенко и его сторонниками в эти
годы советской науке и практике, следует признать разгром советских генетических школ и
ликвидацию перспективных научных направлений и исследовательских центров. В стране
прекратились работы по ряду направлений теоретической и прикладной биологии, которые в
50-х гг. привели к формированию в мировой биологической науке наиболее ее плодотворных
и перспективных направлений: молекулярной биологии и генетики. Самым существенным (и
не исправленным в полном объеме до сих пор) было уничтожение классической генетики в
нашей стране. Большой урон был нанесен прекращением работ по антропогенетике и
13
медицинской генетике: еще в 1937 г. был закрыт Медико-генетический институт, а его
директор С.Г. Левит расстрелян.
Серьезнейший урон был нанесен преподаванию биологии. Лысенко требовал изъятия
из курсов биологии «менделизма-морганизма». Начались гонения на преподавателей –
противников
воззрений
Лысенко.
Эти
преследования
проводились
под
лозунгами
превращения вузов в «оплоты учения Мичурина – Лысенко». Метод идеологической травли
был опробован И.И. Презентом против Ю.А. Филипченко еще в 20-х гг. В конце 30-х гг.
Презент начал кампанию против Г. Д. Карпеченко – самого молодого профессора
Ленинградского университета, возглавившего кафедру генетики растений. Кафедра в 1940 г.
была фактически разгромлена и прекратила существование.
Огромный урон был нанесен сельскому хозяйству и сельскохозяйственной науке. Изпод сельскохозяйственной практики была выбита научная основа. Были разрушены сеть
селекционных станций и система сортоиспытания, созданные Н.И. Вавиловым. Были
затрачены время, научные силы и средства на заведомо бессмысленные исследования.
Директивным введением убыточных и антинаучных мероприятий сельскому хозяйству
страны был нанесен прямой материальный ущерб, выражающийся в миллиардах рублей:
Лысенко
и
его
сторонники
несут
значительную
долю
вины
за
закупки
зерна,
продолжающиеся до сих пор.
К полной монополизации советской биологии Т. Д. Лысенко и его сторонниками
привело развитие лысенковщины на последующих этапах – от сессии ВАСХНИЛ 1948 г. до
1964 г.
После
победоносного
окончания
Великой
Отечественной
войны
началась
титаническая работа по восстановлению разрушенного хозяйства страны. Надо было не
только построить жилье для миллионов людей, лишившихся крова, пустить новые фабрики и
заводы, но и фактически заново наладить сельскохозяйственное производство на огромных
территориях.
Однако,
хотя
в
ряде
стран
мира
к
концу
40-х
гг.
биология
и
сельскохозяйственная наука значительно продвинулись вперед, прежде всего, на основе
реализации фундаментальных достижений генетики, в Советском Союзе такой прогресс был
практически невозможен, так как именно генетика наиболее пострадала от лысенковщины.
Прогресс науки и техники, возникновение атомной промышленности и последовавшее
возвышение роли ученых в мире пробудили у многих советских биологов и специалистов
сельского хозяйства надежды, что лысенковщина останется в прошлом, что удастся показать
всю нелепость развиваемых лысенковцами взглядов, их антинаучную сущность и заново
утвердить научные основы генетики. И в послевоенные годы вновь разворачиваются
14
дискуссии по важнейшим вопросам биологии. В истории лысенковщины наступает второй
этап.
Новые дискуссии носили иной характер, чем дискуссии 30-х гг. Они уже не сводились
к обсуждению теоретических и методологических проблем биологии, а стали более конструктивными. К этому времени развитие фундаментальной генетики дало ощутимые практические результаты. Изменилось экономическое положение именно экспериментальных
направлений биологии. Уже нельзя было игнорировать необходимость использования
мутантов при получении, например, продуцентов антибиотиков. Это доказывали не только
работы зарубежных ученых, но и блестящие достижения советских микробиологов 3. В.
Ермольевой, Г. Ф. Гаузе и других, получивших антибиотики пенициллин и грамицидин С.
Начала формироваться база будущих молекулярной биологии и молекулярной генетики,
биотехнологии. Были сделаны решающие шаги к установлению химической природы гена,
само существование которого отвергалось Лысенко. Все это подрывало ламаркистские
позиции лысенковцев.
Однако была еще одна причина необходимости дискуссий. Т.Д. Лысенко с помощью
своих сподвижников стремился к созданию собственного «учения», некоей новой биологии,
которая должна была заменить дарвинизм. Сплочение биологов против Лысенко произошло
потому, что он все чаще стал выступать по эволюционным проблемам, утверждая явные
нелепости. Поэтому дискуссии в 40-х гг. велись уже не столько по генетическим проблемам,
сколько по вопросам внутривидовых отношений, а позднее (1953–1958) – по вопросам
видообразования.
Новая смелая критика в адрес Т. Д. Лысенко и его «мичуринской агробиологии» была
начата в 1946 г. в журнале «Селекция и семеноводство» статьей «Дарвинизм в кривом
зеркале», написанной известным ботаником и селекционером академиком ВАСХНИЛ П.М.
Жуковским. Это был авторитетный ученый, прекрасный специалист, которого к тому же
нельзя было обвинить в оторванности от практики – в 1943 г. он был отмечен Сталинской
премией «за открытие новых видов пшеницы и ржи и получение из них высокоценных в
хозяйственном отношении гибридов». И его критика лысенковской «версии» теории
эволюции, отвергавшей внутривидовую борьбу, была очень весомой. В 1946 г. членомкорреспондентом АН СССР был избран Н.П. Дубинин, представитель школы классической
генетики, и избран, несмотря на ярые протесты самого Лысенко. В ноябре 1947 г. в
Московском государственном университете прошла дискуссия по поводу отрицания Лысенко
внутривидовой борьбы за существование. Уничтожающую критику взглядов Лысенко дали
крупнейшие биологи – академик И. И. Шмальгаузен, профессора Д.А. Сабинин и А.Н.
Формозов. Дискуссия собрала огромную аудиторию ученых и студентов, но лысенковцы
15
участия в ней не приняли: было ясно, что политические нападки лишь вызовут симпатии к
ученым, а противопоставлять что-либо серьезное своим оппонентам лысенковцы не могли. В
феврале 1948 г. в МГУ прошла широкая конференция по основам дарвинизма (лысенковцы
снова отсутствовали), где было заслушано 40 докладов, большинство из которых полностью
отрицали лысенковский «передовой дарвинизм». Основной доклад на конференции сделал
И.И. Шмальгаузен.
Весной 1948 г. с группой биологов, выступавших против лысенковского диктата в
науке, встретился заведующий сектором науки ЦК ВКП(б) Ю.А. Жданов (сын А.А. Жданова),
химик-органик по образованию. Этой встрече предшествовали письма, которые стали поступать в ЦК после войны и в которых весьма обстоятельно разоблачалась теоретическая несостоятельность и практическая вредность лысенковских концепций. В апреле 1948 г. Ю.А.
Жданов выступил в Политехническом музее на семинаре пропагандистов с большой лекцией,
в которой критиковал Лысенко за псевдонаучные теории и безответственные обещания
практических достижений.
Над Лысенко и его сторонниками нависла угроза полного краха, так как в условиях
свободной критики «мичуринская агробиология» не могла существовать. Лысенко идет на
крайний шаг; он пишет И.В. Сталину и А.А. Жданову жалобу на Ю.А. Жданова. Одновременно Лысенко развернул новую рекламную кампанию, обещая небывалые урожаи – на этот раз
от ветвистой пшеницы.
Реакция на письмо последовала в июле 1948 г., когда с санкции Сталина были
отменены выборы академиков ВАСХНИЛ, и вакантные места были заполнены путем
назначения 35 академиков по списку, составленному Лысенко и подписанному Сталиным. А
31 июля – 7 августа 1948 г. состоялась сессия ВАСХНИЛ, на которой с докладом «О
положении в биологической науке» выступил Т.Д. Лысенко. Характерно заявление Лысенко в
заключительном слове на сессии: «Меня в одной из записок спрашивают, каково отношение
ЦК партии к моему докладу. Я отвечаю, что ЦК партии рассмотрел мой доклад и одобрил
его». Вся сессия прошла в стиле, уже отработанном в так называемых дискуссиях 30-х гг. По
существу, никаких научных споров не было – было жесткое административное подавление
противников, замешанное на идеологических обвинениях. Несмотря на это, нашлись люди,
которые до конца отстаивали истину в науке. О достижениях и перспективах генетики
говорил И.А. Рапопорт. Ректор МСХА им. К.А. Тимирязева В.С. Немчинов в заключительном
слове на сессии смело сказал; «Я считаю, что хромосомная теория наследственности вошла в
золотой фонд науки человечества, и продолжаю держаться такой точки зрения».
Но это уже ничего изменить не могло. 7 августа было помещено в «Правде» письмо
Ю.А. Жданова Сталину, где он каялся за критику в адрес Лысенко. «Мичуринская биология»
16
стала партийной платформой, и отрицание лысенковских догм угрожало исключением из членов партии.
Последовали
массовые
«признания
правильности»
лысенковских
положений.
Министром высшего образования СССР С.В. Кафтановым и министром сельского хозяйства
СССР И.А. Бенедиктовым были изданы приказы об увольнении многочисленных ученых и
преподавателей – противников Лысенко. В приказе Бенедиктова утверждалось, что в научных
учреждениях министерства «до последнего времени имели распространение работы,
основанные
на
реакционных
воззрениях
менделизма–морганизма».
Предполагалось
«искоренить из практики работы научно-исследовательских учреждений антимичуринские
методы работы и в дальнейшем научно-исследовательскую работу целиком базировать
только на передовом учении Тимирязева – Мичурина – Вильямса – Лысенко». В приказе был
и следующий пункт:
«Изъять из употребления программы и пособия, не отвечающие требованиям
воспитания специалистов сельского хозяйства в духе учения Мичурина – Вильямса».
Приказами Кафтанова из университетов и других вузов страны было уволено большое число
ученых-биологов, среди которых были выдающиеся ученые, известные во всем мире. Они
увольнялись «как не обеспечившие воспитание советской молодежи в духе передовой
мичуринской биологии». Предлагалось пересмотреть составы кафедр, учебные и научные
программы, программы и планы подготовки аспирантов; перечислялись учебники, которые
надлежало «изъять из обращения как пропагандирующие реакционные теории менделизма–
морганизма». Общее число уволенных, пониженных в должности или отстраненных от
руководящей работы после сессии ВАСХНИЛ 1948 г. исчислялось тысячами. Из
Московского университета были уволены академик И.И. Шмальгаузен, ученый с мировым
именем физиолог растений Д.А. Сабинин (впоследствии он покончил с собой, не выдержав
травли), академик В.Н. Шапошников, профессор М.М. Завадовский, Р.Б. Хесин-Лурье
(впоследствии, после восстановления исследований по генетике, он стал членомкорреспондентом АН СССР, Лауреатом Ленинской премии). Из Горьковского университета
был уволен С.С. Четвериков (работавший там с 1935 г.), из Киевского – С.М. Гершензон, из
Воронежского – Н.П. Дубинин,
Сессия ВАСХНИЛ 1948 г. знаменовала расширение монополии Т. Д. Лысенко на всю
советскую биологию. Прежде всего, она открыла путь к разгрому цитологии. По образцу
сессии ВАСХНИЛ было проведено специальное совещание Биологического отделения АН
СССР, одобрившее «учение О.Б. Лепешинской». Лепешинская, начиная с 30-х гг., выступала
с публикациями, в которых, основываясь больше на вульгаризированных до неузнаваемости
высказываниях Ф. Энгельса, утверждала, что открыла образование клеток из бесструктурного
17
«живого вещества». Этим отвергалось положение Р. Вирхова, который в 1855 г. ввел тезис:
«клетка образуется только от клетки». Этот тезис, разделяемый всеми биологами,
Лепешинская объявила идеалистическим, метафизическим. Никто всерьез не воспринимал
«открытия» Лепешинской, но в 1945 г. издание ее книги поддержал Т. Д. Лысенко. Ее книга
«Происхождение клеток из живого вещества и роль живого вещества в организме» вышла с
предисловием Лысенко. Для него «учение Лепешинской» стало одним из важных разделов
«мичуринской биологии», так как с помощью этого «учения» Лысенко объяснял
«превращение» одного вида организмов в другой. Так, на совещании в Биологическом
отделении АН СССР Т.Д. Лысенко объяснил, что, в соответствии с учением Лепешинской,
превращение пшеницы в рожь, например, происходит в результате «появления в теле
пшеничного растительного организма крупинок... ржаного тела».
Теперь Лысенко вел борьбу уже не только с генетиками, но и цитологами,
гистологами, микробиологами, эмбриологами. Присуждение Лепешинской Сталинской
премии вне очереди и сообщение ею в печати о внимании Сталина к ее работе превратило
учение Лепешинской (как ранее «мичуринскую биологию») в политическую платформу,
критика которой рассматривалась как «антисоветская акция» со всеми вытекающими
последствиями.
В результате возникла та псевдонаучная конструкция, которой Т.Д. Лысенко и его приспешники
стали
заменять
основы
биологии
в
научно-исследовательской
работе,
сельскохозяйственной практике и преподавании биологических, сельскохозяйственных и
медицинских дисциплин. Прежде всего, Лысенко отрицал существование генов как
материальных
носителей
биологической
информации,
с
которыми
связана
наследственность организмов. Он утверждал, что наследственностью обладает весь
организм. Важнейшим положением, которое активно проповедовал Лысенко, было
ламаркистское представление о наследовании благоприобретенных признаков. Это
положение
также
широко
использовалось
Лысенко
при
разработке
практических
рекомендаций. Утверждалось, в частности, что создание хороших условий при содержании
скота не просто повышает привесы, надои, жирность молока, но и позволяет рассчитывать на
закрепление этих свойств в потомстве. Результаты, конечно, были ужасными для сельского
хозяйства, тем более, что внедрение рекомендаций лысенковцев сопровождалось забоем
животных-производителей, уничтожением чистопородных стад и т. п.
Отрыв советских ученых от мирового научного сообщества прямо вел к крупному
стратегическому отставанию нашей биологии, что и подтвердили события в мировой науке в
последующие годы. Фактически был разрушен механизм использования достижений
фундаментальной биологии в практике, что привело к нарастающему отставанию нашего
18
сельского хозяйства и медицины в области внедрения наиболее передовых технологий и
методов – это прямая вина Лысенко и его сторонников.
На этом, втором этапе своей истории лысенковщина не только охватила всю
биологию. Она вызвала к жизни попытки провести такие же «реорганизации» в других
естественных науках, а также в математике. Кибернетика была объявлена «буржуазной
лженаукой», и это одна из причин нашего отставания в развитии вычислительной техники.
Были попытки осуществить идеологизацию химии (критика «теории резонанса»), попытки
навязать идеологические дискуссии в физике. Опыт внедрения лысенковских догм сыграл
серьезную отрицательную роль в формировании условий развития науки, складывающихся в
период культа личности. Большой отряд философов, выросший и накопивший «опыт» в
распространении лысенковских взглядов, активно содействовал распространению «борьбы с
космополитизмом», охватившей не только науку, но и другие сферы общественной жизни
(особо отрицательную роль в этом сыграл философ академик М.Б. Митин, включившийся в
биологические дискуссии еще в 30-х гг.).
Итоги второго этапа истории лысенковщины были удручающими. Кратко они
сводились к следующему,
Были окончательно ликвидированы исследования по наиболее передовым и, как
показали дальнейшие события, перспективным направлениям современной биологии.
Результатом была утрата позиций в наиболее важных стратегических направлениях биологии,
а также разработке новых биологических технологий. Несмотря на многолетние усилия, эти
последствия не устранены полностью до сих пор.
Научная база сельского хозяйства была уничтожена и заменена лысенковскими
рецептами, что привело к огромным потерям в сельскохозяйственном производстве.
Искоренение преподавания основ современной научной биологии привело к
появлению поколений специалистов, которые получили искаженное представление об
основах науки, не были подготовлены методически и методологически, не освоили научный
подход к постановке задач и оценке результатов. Эти потери относятся к числу тех, которые
до сих пор не преодолены и оказывают серьезное тормозящее действие на прогресс биологии
в нашей стране.
В третий этап своей истории лысенковщина вступила после смерти Сталина. В 1953 г.
была создана модель молекулы ДНК и дано объяснение механизму действия генов.
Наследственные механизмы стали объяснять с использованием понятия «биологическая
информация», появилось понятие «биологический код». В это время в нашей стране
исследования по генетике были сосредоточены в Отделении биологических наук АН СССР,
директором Института генетики АН СССР с 1940 г. был Т. Д. Лысенко. Поэтому крупнейшие
19
ученые Советского Союза, среди которых были А.Н. Несмеянов (президент АН СССР в
1951– 1961 гг.), Н.Н. Семенов (лауреат Нобелевской премии, руководитель Отделения
химических наук АН СССР, а затем вице-президент), И.В. Курчатов, И.Л. Кнунянц, М.А.
Леонтович, А.Д. Сахаров, И.Е. Тамм, А. Н. Белозерский, В. А. Энгельгардт, А.Н. Колмогоров,
М.А. Лаврентьев, С. Л. Соболев, М. М. Шемякин и другие, поддерживали продолжение
исследований в области генетики, а затем стали создавать группы и лаборатории в
учреждениях, не подведомственных Отделению биологических наук АН СССР. Снова началась критика в адрес Т.Д. Лысенко. Началась она с неожиданного эпизода еще при жизни
Сталина, в 1952 г., когда «Ботанический журнал» опубликовал статью Н. В. Турбина,
бывшего сторонника Лысенко, направленную против абсурдных утверждений Лысенко по
вопросам видообразования. В «Ботаническом журнале» в последующие годы публиковались
критические статьи в адрес Лысенко, сообщалось о фальсификациях научных данных, о несостоятельности многих его положений.
В 1955 г. в ЦК партии было направлено письмо с призывом покончить с
лысенковщиной. Это письмо подписали 297 ученых-биологов, сопроводительное письмо к
нему подготовили член-корреспондент АН СССР П. А. Баранов и академик Н. П. Дубинин.
Кроме того, в ЦК было передано письмо 24 крупнейших ученых страны, работавших в
области физики, химии и экономики (среди подписавших это письмо были П.Л. Капица, А.Д.
Сахаров, И.Е. Тамм, Ю.Б. Харитон, Я.Б. Зельдович, М.А. Лаврентьев, В.Л. Гинзбург, Л.Д.
Ландау, Г.Н. Флеров, Е.С. Варга и другие). В результате произошла смена руководства
Отделением биологических наук АН СССР. Новому секретарю отделения В.А. Энгельгардту
было предложено ликвидировать отставание в важнейших областях экспериментальной
науки.
В Отделении биологических наук были проведены важные организационные
мероприятия, в том числе направленные на реорганизацию старых лабораторий и институтов
и создание новых, среди которых следует отметить Институт радиационной и физикохимической биологии (ныне Институт молекулярной биологии) АН СССР, Институт химии
природных соединений (ныне Институт
биоорганической
химии им. М. М. Шемякина)
АН СССР. Ряд лабораторий был создан в других отделениях АН СССР, а также в Институте
атомной
энергии.
Поддержку
генетическим
исследованиям
решительно
оказывало
руководство Сибирского отделения АН СССР (в 1957 г. начал создаваться Академгородок).
Однако и на этом этапе истории лысенковщины продолжал действовать ряд факторов,
которые в 30–40-х гг. привели к возникновению «феномена Лысенко». Политические и социальные
условия
изменились,
но
широкое
внедрение
сторонников
Лысенко
в
административно-государственный аппарат, в учреждения науки и высшей школы привело к
20
появлению определенных сил, заинтересованных в сохранении лысенковщины. Среди тех,
кто
боролся
против
лысенковщины,
наиболее
важными
были
группы
ученых,
представлявших фундаментальную и академическую науку, а также игравших весомую роль
в развитии атомных, космических и оборонных комплексов в нашей стране.
В этой ситуации решающей для сохранения позиций Лысенко оказалась поддержка
Н.С. Хрущева. В декабре 1958 г. в «Правде» была помещена критическая статья в адрес
«Ботанического журнала» и в защиту Лысенко. Эта статья предшествовала критическим
замечаниям, сделанным Хрущевым в адрес противников Лысенко. В результате 20 января
1959 г. Несмеянов, Топчиев и Энгельгардт на заседании Президиума АН СССР вынуждены
были заявить, что они недооценили мичуринскую биологию, и обещали принять меры к
исправлению сделанных ошибок. Энгельгардт был заменен на посту академика-секретаря
Отделения биологических наук Н.М. Сисакяном, поддерживавшим Лысенко.
Однако сопротивление Лысенко и его сторонникам продолжало нарастать, несмотря на
поддержку руководства. В партийных документах хотя и высказывалась поддержка линии
Лысенко, но были введены указания на значение физики и химии для развития биологии.
Двойственной была и позиция Хрущева: поддерживая Лысенко, он вынужден был
поддерживать и его противников, поскольку очень уж явными были негативные последствия
лысенковщины. Так, у Хрущева получил поддержку репрессированный в годы культа
личности ученый, крупнейший специалист по кукурузе Н. Н. Кулешов.
Академия наук СССР продолжала оказывать поддержку институтам и лабораториям,
развивавшим исследования в области экспериментальной биологии. Особенно энергично это
делались в Сибирском отделении АН СССР, затем в научном комплексе в Пущино, позднее в
Межфакультетской лаборатории молекулярной биологии и биоорганической химии им. А.Н.
Белозерского в МГУ. Большую роль в этом сыграл А. Н. Несмеянов, подвергавшийся за это
все более сильному давлению со стороны Лысенко, что сыграло определенную роль в
смещении Несмеянова с поста президента АН СССР в 1961 г.
Однако в Академии наук СССР, в других организациях продолжало укрепляться
понимание того, что Лысенко наносит огромный вред советской науке, сельскому хозяйству,
экономике. Необходимо отметить также, что в среде советских философов нашлись силы,
которые
взяли
на
себя
нелегкий
труд
по
разработке
научных
философских
и
методологических проблем современной биологии, прежде всего генетики. Наиболее видную
роль в этом сыграли труды И.Т. Фролова, активно выступившего в конце 50-х гг. против
лженаучного философствования, распространенного вокруг работ Лысенко, Его исследования
в этой области суммированы в книге «Философия и история генетики. Поиски и дискуссии»,
вышедшей в 1988 г. в издательстве «Наука».
21
События приводили к необычным и смелым для тех времен формам протеста. Так,
например, на выборах в АН СССР в июне 1964 г. была провалена кандидатура
выдвигавшегося в академики Н. И. Нуждина, одного из одиозных сторонников Лысенко.
Против его кандидатуры проголосовали 126 академиков, а поддержали лишь 20.
Восстановление в правах разгромленных направлений советской биологии началось в
1964 г. после октябрьского Пленума ЦК КПСС. В 1965 г. Лысенко был снят с поста директора
Института генетики АН СССР. Лженаучная, основанная на подлогах и фальсификациях
методика работы Лысенко была вскрыта на примере деятельности Экспериментальной
научно-исследовательской базы АН СССР «Горки Ленинские», руководимой самим «народным академиком» (деятельность этой базы была изучена специальной комиссией
Президиума АН СССР).
Урон, нанесенный лысенковщиной отечественной биологии, особенно генетике, не
восполнен до сих пор. Тяжкие кадровые потери, утрата традиций в ряде важнейших
направлений исследований привели к серьезному отставанию отечественной генетики от
мирового уровня. Мы не можем сейчас воспользоваться всеми преимуществами и
возможностями, которые предоставляет современная биология. Работа по восстановлению
генетики в нашей стране началась, но она требует многих сил и экономических затрат.
Требует она и притока новых кадров. Многие из нынешних школьников будут работать в научно-исследовательских лабораториях, в многочисленных сельскохозяйственных и биотехнологических центрах, использующих достижения современной генетики. И важно, чтобы их
знания были подлинно научными, свободными от лженаучных догм, отражающими истинное
состояние биологических проблем и все богатство накопленных в мире идей о путях и подходах к их решению, о перспективах развития современной биологии.
Дополнительная литература
Струнников В.А., Шамин А.Н. Т.Д. Лысенко и лысенковщина. Разгром советской генетики в
30–40-х гг. // Биология в школе. – 1989. – № 2. – С. 15–20.
Струнников В.А., Шамин А.Н. Т.Д. Лысенко и лысенковщина. Трудные годы советской
биологии // Биология в школе. – 1989. – № 3. – С. 21–25.
2.1.2. Структура и организация генома. Проблема избыточности генома эукариот и
пути ее решения.
Самую первую гипотезу о физико-химической природе генов и хромосом предложил
Н.К. Кольцов в 1927. Он предположил, что хромосомы представляют собой огромные
молекулы белков или пучки таких молекул. Первоначально у простейших организмов
22
существовали молекулы кератина из одинаковых звеньев. Каждое звено состояло из простых
радикалов, которые в ходе эволюции усложнялись.
Спустя 25 лет в 1952 году Альфред Херши и Марта Чейз доказали, что генетическим
материалом фага Т2 является ДНК. Фаг Т2 является вирусом. Он абсорбируется на наружной
поверхности клетки бактерии E.coli, проникает внутрь, а через 20 мин бактерия разрушается и
из нее выходит большое число фагов. В опыте Херши и Чейз белковая часть фага была
мечена изотопом изотопом S35 серы , а ДНК изотопом фосфора P32. После инфицирования
оказалось, что 80% метки S35 осталась в пустой фаговой оболочке, а 70% метки фосфора P32 в
инфицированных бактериях. Результаты этого эксперимента прямо показали, что ДНК
родительских фагов проникает в бактерии, а затем становится составляющей новых фаговых
частиц.
Генетическая информация в молекуле ДНК записана в виде последовательностей
нуклеотидных остатков, которые содержат одно из четырех азотистых оснований:
{Аденин (А),
гуанин (Г)} – пурины (два кольца, пяти и шестичленные) ;
{Цитозин (Ц),
тимин (Т)} – пиримидины (одно кольцо шестичленное).
Азотистые основания
Нуклеозиды(Аз.основание.+ Нуклеотиды
(нуклеозид
дезоксирибоза или рибоза)
фосфат)
Аденин (А)
Аденозин
Адениловая кислота (АМР)
Гуанин (Г)
Гуанозин
Гуаниловая кислота (GMP)
Цитозин (Ц)
Цитидин
Цитидиловая кислота (CMP)
Тимин (Т)
Тимидин
Тимидиловая кислота (TMP)
Урацил (У)
Уридин
Уридиловая кислота (UMP)
+
В состав ДНК входит азотисиые основания аденин, тимин, цитозин и гуанин, в состав
РНК вместо тимина входит урацил.
Как известно, ДНК – это большой архив, в котором хранится информация, а РНК –
это молекула, которая переносит информацию из ядра в цитоплазму для синтеза белков. С
различием в функциях связаны различия в строении. РНК более химически активна из-за
того, что ее сахар - рибоза – имеет в своем составе гидроксильную группу, а в
дезоксирибозе кислорода нет. Из-за отсутствия кислорода ДНК более инертна, что важно
для ее функции хранения информации, так как отсутствие кислорода значительно снижает
реакционную способность ДНК. Полимерная молекула ДНК возникает вследствие того, что
нуклеотиды взаимодействуют друг с другом, и между соседними нуклеотидами образуется
связь.
23
Когда образуется цепочка нуклеотидов, связь осуществляется между пятым углеродом
одной и третьим углеродом другой дезоксирибозы. Поэтому в цепочке нуклеиновых кислот
выделяют разные неравнозначные концы, относительно которых молекула не симметрична.
В апреле 1953г. Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель ДНК в форме регулярной
двойной спирали ДНК, в которой две полинуклеотидные цепи закручены вправо вокруг
общей оси. Измерения показали, что на виток спирали приходится 10,5 пар нуклеотидов,
которые занимают по длине 3,6 нм. Каждая цепь содержит последовательность нуклеотидов,
строго соответствующую последовательности нуклеотидов другой цепи. При этом гуанин на
одной цепи соответствует цитозину на другой, а аденин соответствует тимину. Внутри
спирали азотистые основания ориентированы по направлению к середине: аденин образует
две водородные связи с тимином, а гуанин три водородные связи с цитозином. Отношение
А+Г=Т+Ц, т.е. число пуринов всегда равно числу пиримидинов. Отношение А+Т/Г+Ц очень
различно и характерно для каждого вида. При соединении друг с другом против 5’-конца
одной нити находится 3’-конец другой нити. То есть нити идут в противоположных
направлениях – поэтому обычно говорят, что нити в ДНК антипараллельны.
В любом данном участке ДНК только одна из двух нитей ДНК кодирует аминокислоты,
поэтому код – это последовательность нуклеотидов, а не пар нуклеотидов.
В 1954г. физик Георг Гамов сформулировал идею триплетности генетического кода:
1. Генетический код читается группами по три нуклеотида, т.е. код триплетный.
Каждый триплет кодирует одну аминокислоту и называется кодоном.
Первоначально Гамов считал, что код перекрывающийся (каждая нуклеотидная пара
участвует в кодировании 3 аминокислот), что накладывало серьезные ограничения на
возможности кодирования.
2. Код неперекрывающийся. Это означает, что каждый кодон состоит из трёх
нуклеотидов и следующий кодон также состоит из других трёх нуклеотидов.
Началом синтеза белка для любого гена является кодон AUG. В конце гена
обязательно стоят стоп–кодоны, которые обычно дублируются (UAA- это обычно основной
терминирующий кодон, UAG, UGA-обычно следуют на небольшом расстоянии как
дополнительные ), эти кодоны не кодируют аминокислот и являются сигналами на окончание
синтеза белка. Нуклеотидная последовательность, которая начинается с инициирующего
кодона, делит последующие
нуклеотиды на триплеты, кодируюшие аминокислоты и
заканчивается стоп-кодоном называется открытой рамкой считывания.
В случае мутации один нуклеотид может быть удален (делетирован) или вставлен
(инсертирован). В этом случае транслируемый с такой последовательности белок теряет свои
функциональные свойства.
24
Генетический материал одного бактериофага представлен одноцепочечной ДНК и состоит
всего из 9 генов. ДНК необходимая для кодирования этих генов должна была бы состоять из
6078 нуклеотидов. На самом деле в хромосомах фага 5374 нуклеотида.
Оказалось, что кодирующие последовательности двух генов (В и Е) локализованы внутри
кодирующих последовательностей двух других генов (А и D). При этом рамка считывания
оказывалась сдвинутой на одну пару нуклеотидов.
Подобная ситуация ген внутри гена
известна и при более плотной упаковке генов: у одного из мобильных генетических
элементов бактерии одна из цепей молекулы ДНК содержит два перекрывающихся генов, а
комплементарная цепь содержит еще один ген.
3. Генетический код является вырожденным в том смысле, что одной аминокислоте
может соответствовать несколько кодонов. Например аминокислотам лейцину и аланину
соответствует по 4 кодона с различной частотой встречаемости.
4. Генетический код универсален, так как определенному кодону соответствует
определенная аминокислота. Например кодон AUG кодирует метионин у любого
организма. Однако накапливаются сведения об отклонениях от универсального кода. Это
касается прежде всего митохондриальных геномов. Например в геноме митохондрий самых
разных организмов: позвоночных, дрозофилы, плесени, дрожжей кодон UGA имеет
универсальное значение стоп-кодона, но в некоторых случаях он кодирует аминокислоту
триптофан.
Репликация ДНК
Уотсон и Крик уже во второй своей работе в 1953 году предположили возможный
механизм копирования наследственного материала.
Легко представить себе, что цепи
молекул ДНК расходятся, и на каждой из них как на матрице синтезируются дочерние
комплементарные молекулы ДНК, которые имеют такую же структуру, как и материнские,
т.е. являются их точной копией. Каждая вновь образованная двуспиральная молекула ДНК
состоит из одной материнской и одной дочерней молекулы ДНК. Такой механизм
копирования называется полуконсервативным (существовала и модель консервативной
репликации). Опыты Мезелсона и Сталя в 1958г. с с тяжелым азотом, который был включен в
молекулы
пуринов
и
пиримидинов
доказал
верность
полуконсервативной
модели
копирования ДНК.
Чтобы каждая из двух цепей ДНК стала матрицей для синтеза новой цепи,
необходимо, чтобы нити ДНК расправились, или релаксировали. Суперспирализованное
состояние молекулы ДНК может возникнуть или в результате укладки нити ДНК в нуклеоиде
25
или расплетении спирали в ходе репликации, что ведет к вращению молекулы ДНК. Эту
суперспирализацию снимает группа ферментов, называемых топоизомеразами.
Топоизомераза-I вносит временный разрыв в одну из цепей ДНК в области перед
репликативной вилкой, что позволяет разорванной нити ДНК вращаться вокруг другой нити,
затем
разорванная
нить
восстанавливается.
Топоизомераза
–II
создает
временный
двухцепочечный разрыв, удерживая вместе оторванные друг от друга концы цепей. Затем на
релаксированный участок, с которого начинается репликация (точка начала или ориджин
репликации oriC) садятся инициаторные белки. Область начала репликации хромосомы oriC
включает в себя участки с так называемыми ДНК-боксами со специфическими мотивами
нуклеотидов
в
9
пар
нуклеотидов
и
расположенными
между
ними
короткими
последовательностями по 12-13 пар нуклеотидов с высоким содержанием АТ. Сами ДНКбоксы не кодируют белок или РНК, хотя между ними располагаются отдельные гены,
кодирующие белки обслуживающие репликацию.
Поскольку синтез ДНК происходит на одноцепочечной матрице, ему должно предшествовать
разделение цепей ДНК. Эту работу выполняет фермент ДНК-геликаза, который разрывает
водородные
связи
между
основаниями
и
продвигает
репликационную
вилку.
Антипараллельная структура двух цепей молекулы ДНК создает понятную проблему
продвижении вилки репликации. Вилка движется по направлению от 5/ к 3/ на одной цепи, а
на другой, наоборот, от 3/ к 5/. Однако нуклеиновые кислоты синтезируются только в
направлении от 5/ к 3/. Эта проблема решается путем непрерывного синтеза на цепи от 5/ к 3/
(лидирующая последовательность), и с отставанием прерывистым образом на цепи от 3/ к 5/
путем синтеза коротких фрагментов Оказаки (у прокариот 1000-2000 п.н.). Когда цепи ДНК
разъединены, одиночные молекулы ДНК становятся довольно уязвимыми. Чтобы
не
произошло нарушений этих молекул, они связываются с белками SSB, которые
стабилизируют нити ДНК, не мешая ДНК полимеразам. ДНК-полимеразы не могут начать
синтез на матрице отстающей цепи, а способны только добавлять нуклеотиды к 3/ концу.
Дезоксирибонуклеотиды добавляются к РНК-затравке, которую синтезирует фермент ДНКпраймаза.
Итак, ДНК-геликаза разъединяет цепи ДНК, на матрице лидирующей цепи синтезируется
новая цепь ДНК. На матрице отстающей цепи собираются SSB- белки, стабилизируя
отстающую цепь, на которой синтезируются РНК праймеры при помощи праймазы. Праймер
удлиняется за счет ДНК-полимеразы-III, которая вытесняет белки SSB по мере синтеза
нового фрагмента Оказаки. Фрагменты Оказаки отстающей цепи сшиваются, образуя
непрерывную цепь. Это требует активности двух ферментов: ДНК-полимеразы –I и ДНКлигазы.
26
Терминация репликации обеспечивается ter-сайтами ( короткие последовательности около
23 п.н.), к которым присоединяется продукт гена tus, что останавливает движение вилки
репликации.
Генетический материал живых организмов имеет огромные размеры и реплицируется с
высокой точностью. Так при репликации генома человека длиной в 3 млрд. п.н. возникает не
более 3 ошибок. При этом скорость синтеза цепи ДНК очень высока (50 т.п. нукл/мин у
бактерий и 2,2 т.п. нукл./мин у млекопитающих). Размеры и число репликонов у эукариот и
прокариот существенно различаются: так у бактерии E. сoli средняя длина репликона 4200
т.п.н., а у эукариот дрожжей -40 т.п.н., у мыши 150 т.п.н., но встречаются и длинные
репликоны до 1000 т.п.н. Репликоны у эукариот распределены в геноме не случайно, а
группами (replicon foci) в которых собираются ферменты репликации и удлиняют вилки
репликации одновременно в 10-100 соседних репликонах.
Структура генома эукариот
В конце 60-х годов американские ученые Бриттен и Дэвидсон открыли фундаментальную
особенность молекулярной структуры генома эукариот – наличие последовательностей
разной степени повторяемости. Различают следующие фракции в геноме эукариот:
1) уникальные последовательности, т.е. представленные в одном экземпляре.
2) промежуточные (или среднечастотные) повторы. Это последовательности, повторяющиеся
десятки и сотни раз.
3) Высокочастотные повторы, число которых в геноме достигает миллионов копий.
Уникальные последовательности чаще всего представлены генами.
Высокочастотные повторы (это 10-15 семейств коротких повторов 5-12 п.н.) образуют
протяженные блоки. У большинства видов эта фракция занимает не более 10-% генома.
Близкие виды, в частности мышь и крыса, имеют совершенно различные высокочастотные
повторы. Это означает, что высокочастотные повторы способны к быстрым изменениям в
ходе видообразования. Остальные 90% генома эукариот построены по принципу чередования
(интерсперсии) уникальных и повторяющихся последовательностей. Условно выделяют два
основных типа интерсперсии, получивших название по тем видам, у которых они были
впервые обнаружены: это тип «ксенопус» и «дрозофила». Примерно в 50% генома ксенопуса
уникальные последовательности из примерно 1500 пн чередуются с повторяющимися,
средний размер которых 300 пн. В остальной части геномов типа ксенопус расстояния между
соседними повторами значительно превышают 1-2 т.п.н. Структура генома типа ксенопус
широко распространена и в частности наблюдается у млекопитающих и человека.
27
Дрозофила по параметрам интерсперсии резко отличается от видов, имеющих геном типа
«ксенопус».
Повторяющиеся
последовательности
длиной
5600
п.н.
чередуются
с
уникальными, длина которых не менее 13000 п.н. Интересно отметить, что у вида Musca
domestica вида, близкого D. melanogaster геном устроен по типу «ксенопус». Этот факт
указывает на то, что в ходе эволюции возможны быстрые преобразование генома. Но многие
виды не могут быть отнесены ни к одному, ни к другому типу чередования
последовательностей. По результатам проекта геном человека 1,5% генома приходится на
кодирующие экзоны, 25,9% на некодирующие интроны (внутригенные некодирующие
последовательности), псевдогены составляют а 75% на межгенные участки, из которых
мобильные элементы представляют более 40% . У эукариот мобильные элементы делят на два
основных класса. Первый это ретротранспозоны: LINe- long interspersed nuclear elements,
SINe- short interspersed nuclear elements (Alu-элемент), LTR- long terminal repeats.
Ретротранспозоны перемещаются, используя обратную транскриптазу, т.е. на РНК-матрице
мобильного элемента синтезируется ДНК. Обратная транскриптаза (или ревертаза) не только
ведет синтез нити ДНК на РНК, но и осуществляет синтез второй комплементарной нити
ДНК, а РНК- матрица распадается и удаляется. Этот синтез происходит в цитоплазме, затем
двунитевая ДНК проникает в ядро и встраивается в хромосому. Такие мобильные элементы
называются ретротранспозонами, которые составляют минимум 2% генома у дрозофилы и
более 40% у некоторых растений. У человека SINe-повторы длиной 300 п.н. разрезаемые
рестриктазой Alu I встречаются в числе более чем 1 млн копий.Alu- повторы фланкированы
прямыми повторами длиной от 7 до 20 п.н.
Элементы класса два перемещаются непосредственно как ДНК-овые элементы и
называются транспозонами.
Мобильные элементы в геномах (Alu) -характеризуются следующими свойствами:
1.они могут перемещаться из одного сайта в другой;
2. встраивание их в данный район влияет на активность генов, расположенных рядом;
3. утрата мобильного элемента превращает мутабильный локус в стабильный;
4. в сайтах, где присутствуют мобильные элементы, могут возникать делеции, транслокации,
транспозиции, инверсии и разрывы хромосом.
Функциональное значение мобильных элементов
1. Перемещение мобильных элементов и внедрение их в гены может вызывать мутации.
Около 80% спонтанных мутаций, изученных у дрозофилы, вызвано инсерциями
мобильных элементов. Мобильный элемент может повредить экзон или энхансер или
промотор, но инсерция может быть и безвредной, если он внедряется в интрон.
28
2. Изменение активности генов. Так как концевые повторы ретротранспозона являются
его промоторами, то внедрение ретротранспозона в геном может изменять регуляцию
активности генов.
3. Формирование хромосомных перестроек.
4. Формирование теломер.
5. Участие в горизонтальном переносе генов.
Главной особенностью генетического материала эукариот по сравнению с прокариотами
является наличие избыточной ДНК. Если у прокариот гены составляют почти 90% от всего
генома, а оставшиеся 10% межгенная ДНК с неизвестными функциями, то у эукариот
ситуация иная. Например, у нематоды С. elegans примерно равные доли - 27 и 26%
соответственно - занимают в геноме экзоны (участки гена, в которых записана информация о
структуре белка или РНК, они сохраняются в матричной РНК) и интроны (участки гена,
удаляемые в процессе образования зрелой РНК). Оставшиеся 47% генома приходятся на
повторы, межгенные участки и т.д., то есть на ДНК с неизвестными функциями. Согласно
последним данным в геноме у человека находится всего лишь 20000 генов. Это только в 7 раз
больше, чем у дрожжей - одноклеточных эукариот. Видно, что доля кодирующих участков в
расчете на весь геном в ходе эволюции резко уменьшается - у дрожжей она очень высока, у
человека очень мала. Это известно сравнительно давно, но сейчас эти
соотношения
приобрели количественную меру и структурную основу. Мы приходим на первый взгляд к
достаточно парадоксальному выводу: эволюция
сопряжена с "разбавлением" генома - на
эукариот от низших форм к высшим
единицу длины ДНК приходится все меньше
информации о структуре белков и РНК и все больше информации "ни о чем", то есть
избыточной ДНК для нас непонятной, непрочитанной. Геном эукариот обладает рядом
особенностей, которые
существенным образом отличают его от генома прокариот. В
частности это касается парадокса размера генома, или С-парадокса, одной из основных
проблем биологии, согласно которой не существует прямой зависимости между сложностью
организации вида или иначе эволюционной «продвинутостью» и величиной генома. Так у
некоторых амеб количество ядерной ДНК в 200 раз больше, чем у человека. И
если
количество генов у эукариот варьирует в несколько десятков раз, то суммарное количество
ДНК почти в 200000 раз. Несмотря на множество предложенных гипотез, которые пытались
объяснить С-парадокс, биологические функции избыточной ДНК остаются неизвестными.
Это одна из больших загадок биологической эволюции. По поводу "лишней", избыточной
ДНК существуют самые разные предположения, зачастую прямо противоположные по
смыслу. Много лет назад Ф. Крик, один из двух первооткрывателей двойной спирали ДНК,
29
назвал ее "эгоистической", или
"мусорной". Он считал ее издержкой эволюции, платой за
совершенство остальной части генома. Негенная ДНК является бесполезной «мусорной» ДНК
(Ohno, 1972) и просто пассивно переносится хромосомами. Эта гипотеза предполагает, что
избыточная ДНК не влияет на приспособленность. Существует не менее 15 гипотез о
биологической роли избыточной ДНК, вот основные из них:
гипотеза
Бриттена
и
Дэвидсона (Britten, Davidson, 1971), согласно которой избыточная ДНК представляет собой
регуляторные последовательности; К ней близка гипотеза Цукеркэндла, согласно которой
негенная ДНК выполняет важные функции, такие как глобальная регуляция экспрессии генов.
То есть вся ДНК функциональна и любые делеции оказывают отрицательное влияние на
приспособленность. Негенная ДНК является «паразитической» или «эгоистичной» (Orgel,
Crick, 1980; Doolitle, Sapienza, 1980), которая накапливается и активно сохраняется отбором.
Гипотеза Кавалье-Смита: ДНК имеет структурную или нуклеотипическую функцию, т.е.
функцию не связанную с кодированием генетической информации. Эта гипотеза
предполагает, что ДНК выполняет функцию «нуклеоскелета», который определяет размеры
ядра. Избыточное количество ДНК определяется отбором, поскольку, чем больше по размеру
клетка, тем больше должно быть ядро. Возможно, что небольшая доля ДНК человека и
других высших организмов действительно относится к такому типу, однако теперь ясно, что
основная доля "эгоистической" ДНК сохраняется в эволюции и даже увеличивается в
размерах потому, что дает ее обладателям эволюционные преимущества. Классическим
примером "эгоистической" ДНК служат так называемые короткие повторы: Alu-элементы,
альфа-сателлитные ДНК и др. Как выяснилось в последние
годы, их структура
консервативна, то есть мутации, нарушающие "правила", установленные природой для этих
элементов, отбрасываются в ходе естественного
отбора или компенсируются другими
мутациями. Структурное постоянство - мощный
аргумент в пользу идеи о том, что это
отнюдь не "мусорная", а очень важная ДНК
для жизни вида. Другое дело, что мы еще не
знаем, в чем конкретно состоит ее биологическая роль.
2.1.3. Строение и функция хромосом
Хромосомы – это нуклеопротеиновые тела, в которых хранится, передается потомству
и реализуется наследственная информация. Хромосомы были описаны Э. Страсбургергом
при исследовании митоза у растений в 1875-1879 г.г. и В. Флемингом в 1879 г. у животных.
Сам термин «хромосома» был предложен в 1888г. В.Вальдейером. А. Вейсман предположил,
что наследственная информация сосредоточена в хромосомах, а доказали это Т.Морган, К.
Бриджес, Г. Меллер и А. Стертевант, завершившие к середине 1930-х годов разработку
хромосомной теории наследственности.
30
В настоящее время наиболее известны два типа хромосом:
клеточных органеллах эукариот) и
нуклеоид (у прокариот и в
хромосомы клеток эукариот, имеющие разную
морфологию в митозе и в интерфазе.
Нуклеоид хлоропластов и митохондрий, представляет собой двуспиральную молекулу ДНК
в форме кольца, которое закручено в шпильку, и хромосома сверхспирализована. У бактерий
ДНК в нуклеоиде свернута в петли по 40 т.п.н.в каждой. В геноме 100 таких петель.
Репликация нуклеоида начинается из одной точки и продолжается пока не закончится
репликация всей хромосомы. У прокариот нуклеоид прикреплен к клеточной мембране в
двух местах: в точке начала и завершении репликации. После удвоения ДНК у бактерий
происходит расхождение дочерних нуклеоидов к полюсам клетки, деление клетки и
образование новой клеточной оболочки.
Митотические хромосомы высших эукариот
Первая классификация хромосом по их форме и строению принадлежит С.Г.
Навашину, который в 1911 г. выделил 3 типа хромосом: 1) равноплечие; 2) явственно
неравноплечие; 3 крючковидные. Позже в 1924г. Г.А. Левитский ввел понятие кариотип –
хромосомный комплекс вида со всеми его особенностями: число и размеры хромосом, их
морфология, соотношение длин плеч, чередование эухроматина и гетерохроматина.
Важнейшим признаком кариотипа служит наличие пар гомологичных хромосом.
Гомологичные хромосомы имеют одинаковое генетическое содержание (кроме половых
хромосом), одинаковую морфологию и структуру. В 1911г. Робертсон (W. Robertson)
обнаружил, что метацентрическая хромосома у одного из видов прямокрылых насекомых
соответствует двум акроцентрическим хромосомам у другого вида и заключил, что в ходе
эволюции метацентрики могут возникать за счет слияния акроцентриков. Такие слияния
целых плеч хромосом стали называть робертсоновскими транслокациями. Число больших
плеч при этом остается постоянным. В 1940г. Меллер предположил, что 6 плеч хромосом,
составляющих кариотип разных видов дрозофил, сохраняются в эволюции неизменными
(правило Меллера). В ходе эволюции у дрозофилы происходили
парацентрические (не
захватывающие центромеру) инверсии и центрические слияния. В результате чего у разных
видов дрозофил наблюдали частичную гомологию между хромосомами этих видов
(гомеологичные
элементы
хромосом).
Идентичные
гены,
расположенные
в
гомеологичных элементах хромосом разных видов называются синтенными, а явление
гомеологии участков хромосом у отдаленных видов - синтенией. Например, 17-я хромосома
человека имеет полную гомологию с хромосомами свиньи, быка, лошади, кошки или
частичную (гомеология) с хромосомами оленя мунжака, овцы, шимпанзе, макаки, кита
финвала.
31
Еще в начале 20-го века были обнаружены фрагменты хромосом, которые выглядели
более интенсивно окрашенными. Такие различия в окраске были названы гетеропикнозом.
Гетеропикноз называют отрицательным при слабой окраске и положительным при
интенсивной окраске. Э. Хайц заметил, что положительные гетеропикнотические участки
хромосом в интерфазе сохраняют конденсированное состояние на протяжении интерфазы, и
определяются
как
хромоцентры.
Эти
участки
хромосом,
которые
сохраняют
гетеропикнотическое состояние на всем протяжении клеточного цикла, Хайц предложил
называть гетерохроматином, а участки хромосом, которые претерпевают процесс
компактизации во время подготовки к делению и во время деления и декомпактизации во
время телофазы – интерфазы, эухроматином. У большинства видов эукариот хромосомы
содержат эухроматин и гетерохроматин. Например у дрозофилы гетерохроматин составляет
около
33%.
Гетерохроматин
чаще
всего
располагается
в
области
центромеры
(прицентромерный гетерохроматин) в области теломер (теломерный гетерохроматин) и
может быть диспергирован в других частях хромосом (интеркалярный гетерохроматин).
На самых ранних стадиях делений дробления не находят гетерохроматин в хромосомах.
Гетерохроматин
представляет
собой
в
основном
сателлитную
и
умеренно
повторяющуюся ДНК, среди которых располагаются мобильные элементы. Гены в
гетерохроматине встречаются крайне редко. Функции гетерохроматина в настоящее время не
известны, они остаются предметом споров ученых.
Состав хроматина.
Хроматин состоит из примерно одинакового по массе количества ДНК и белка. Половину
белков составляют негистоновые белки, например, HMG - белки. (High Mobility Group).
Конкретные функции HMG - белков не известны. Предполагается, что они выполняют
структурные и регуляторные функции в процессе транскрипции и поддержании
определённых структур хроматина. Цитологи, изучавшие кариотипы растений и животных
отмечали, что морфология отдельных хромосом и число хромосом в наборе у каждого
организма (животного или растения) довольно постоянны. Если бы хромосомы могли
беспрепятственно склеиваться, то этого не было бы. В 1932 г. Меллер пришел к выводу, что
соединяются только искусственно образовавшиеся концы хромосом, но концевые участки
обычных хромосом никогда не воссоединяются между собой и не перемещаются во
внутренние районы хромосомы. Меллер предположил существование особого «гена»,
фрагмента хромосомы, который выполняет функцию «запечатывания» конца хромосомы.
Этот «ген» был назван теломера от греч. «телос»-конец, и «мерос» -часть. В 1965 г. Хейфлик
показал, что если культивировать клетки новорожденного, то они могут пройти 80-90
делений, а клетки 70-летних делятся только 20-30 раз. Ограничение на число делений
32
называют барьером Хейфлика. Таким образом теломерные районы хромосом возможно
работают как биологические часы, отсчитывая число делений, которое определяет возраст
человека. После открытия структуры ДНК и механизмов ее репликации А.М. Оловников в
России заинтересовался загадкой репликации на конце молекулы ДНК. Дело в том, что
каждая хромосома содержит единственную непрерывную молекулу ДНК, и концы этой
молекулы совпадают с концами хромосомы. После каждого цикла репликации вновь
образованная цепь ДНК в теломерном участке укорачивается на 8-12 нуклеотидов (длина
последнего РНК-праймера, который не был синтезирован), в результате чего хромосома
после каждого цикла репликации укорачивается. Сначала должны исчезнуть теломерные
участки хромосом, затем гены ближайшие к теломерам, затем более удаленные. Фермент
теломераза активен только в половых и стволовых клетках организма. В остальных клетках
этот фермент теряет свою активность еще на эмбриональных этапах развития.
В- хромосомы или добавочные хромосомы находятся в ядре сверх числа основного набора
А-хромосом. По мнению ученых В-хромосомы возникли из А-хромосом в результате
гибридизации разных видов или в результате нерасхождения некоторых А-хромосом, и их
последующей фрагментации и гетерохроматинизации. В- хромосомы в основном состоят из
гетерохроматина. Они обогащены специфичной сателлитной ДНК или такой же которая
встречается в А-хромосомах. Гены в В- хромосомах отстутствуют. В течение митоза Вхромосомы никогда не спариваются с А-хромосомами, наследуются нерегулярно и не по
правилам Менделя. Число В- хромосом может значительно варьировать (от одной до
нескольких десятков). В-хромосомы широко распространены среди цветковых растений,
хорошо изучены у ржи и кукурузы, у животных наблюдаются гораздо реже.
Уровни компактизации ДНК
Суммарная длина ДНК 46 хромосом человека составляет 2 метра. Однако вся она
упаковывается в ядре клетки и в метафазных хромосомах, степень компактизации ее при
этом достигает 104 раз. Молекула ДНК представляет собой левую спираль диаметром 2nm.
Следующий уровень компактизации - ДНК, накрученная на нуклеосомы диаметром
составляет спиральную структуру диаметром ~ 11nm. Нуклеосома образована четырьмя
белками - гистонами. Сердцевину образуют 8 молекул гистонов, по поверхности которых
молекула ДНК делает 1,75 оборота, плотность упаковки при этом увеличивается в 6-7 раз.
Между нуклеосомами находиться линкерный гистон, который в состав нуклеосомы не
включают. Следующий уровень упаковки приводит к появлению нити 25-30 нм, вследствии
закручивании нуклеосомной нити по типу соленоида или упаковки нуклеосом в
сверхбусины, нуклеомеры. Нуклеомерный уровень обеспечивает 40-кратное уплотнение
33
ДНК. Нуклеосомный и нуклеомерный уровни упаковки ДНК обеспечиваются за счет
гистоновых белков. Последующие уровни упаковки осуществляются при участии только
негистоновых белков. Структуры эти тоже имеют левую спиральность.
При помещении хромосом в растворы низкой ионой силы можно видеть розетковидные
структуры, в которых из плотного центра выходят петли нитей 25-30 нм в диаметре.
Величина этих розеток 100-150 нм. Такие розетки называют хромомерами. Это третий
уровень упаковки хроматина. Размер одной петли совпадает с размером репликона. На
хромосому приходится в среднем 2000 таких доменов. В своих основаниях петли хроматина
связаны с негистоновыми белками ядерного матрикса. Третий уровень компактизации
хроматина приводит к 700-кратной упаковке хроматина. Образование хромомеров
становится возможным благодаря наличию определенных последовательностей нуклеотидов
в основании петель ДНК, которые специфически взаимодействуют с ядерным матриксом,
называемым иначе ядерным скэффолдом (скелетом) - сетчатообразной структурой внутри
интерфазных ядер, образованной белками и РНК. Эти участки хромосомной ДНК,
взаимодействующие с ядерным матриксом, в литературе известны под сокращенными
названиями MAR (Matrix Associated Region) или SAR (Scaffold Associated Region) и часто
обозначаются как MAR/SAR-последовательности.
Структура в метафазной хромосоме, гомологичная матриксу в интерфазном ядре,
называется хромосомным скелетом (scaffold). Обе структуры участвуют в упаковке
хромосомной ДНК в петли (loops). Последний уровень компактизации - метафазный
гетерохроматин (уплотнение в 10000 раз). Восемнадцать петель интерфазного хроматина
образуют "розетку" или спираль с витком (он называется миникольцом) диаметром
приблизительно 0,84 мкм. Миникольца располагаются одно под другим вдоль центральной
оси и формируют конденсированные метафазные хромосомы). Было установлено, что в
домене куриных альфа-глобиновых генов взаимодействия ДНК с ядерным матриксом
делятся на перманентные (то есть присутствующие в неактивном ядре), и функциональнозависимые. В экспериментах по ренатурации, в дальнейшем, было показано, что такое
разделение сайтов взаимодействия с матриксом справедливо и для целого генома. Были
охарактеризованы две субфракции
ямДНК,
состоящие из
специфического
набора
уникальных последовательностей. Причем ямДНК эритроцитов являлась субфракцией
ямДНК эритробластов (наряду с другой субфракцией ямДНК, присутствующей только в
активном ядре).
34
2.1.4. Клеточный цикл. Митоз
Клеточное деление было открыто в конце 70-х годов 19 века Э. Страсбургером на
клетках растений и В. Флеммингом на клетках животных. Цель деления - рост,
воспроизводство себе подобных, при этом должно выполняться основное условие:
равномерное распределение всех генетических единиц между дочерними клетками. Для
равномерного распределения генов между дочерними клетками существует механизм такого
распределения – митоз. Mitos в переводе с латинского - нить. Именно в такой форме
наблюдали и описали хромосомы их первые исследователи. Значение хромосом состоит в
упаковке большого числа генов в относительно небольшое число «пакетов», которые будут
содержать все гены, а при митотическом делении удвоенная генетическая информация будет
точно и равномерно распределена между дочерними клетками.
Жизнь эукариотической клетки представляет собой цикл, в котором можно выделить разные
фазы:
1) фазу роста (G1). Во время этой фазы происходит синтез белков. Часть клеток из
фазы (G1) переходит в фазу G0. Клетки в фазе G0 функционируют, а затем погибают
без деления (например, эритроциты). Большинство клеток, накопив необходимые
вещества и восстановив свой размер, а иногда и без изменения размеров после
предыдущего деления (дробление яйца), начинают подготовку к следующему
делению;
2) фазы подготовки к делению: (S), и G2. S – фаза синтеза ДНК, репликации, затем,
когда хромосомы удвоились, клетка переходит в фазу G2 – фазу подготовки в митозу;
2) деление клетки - митоз (М) и цитокинез. По окончании митоза цикл повторяется
заново.
Главные события клеточного цикла: репликация ДНК и сегрегация хромосом во
время митоза. Это высокоточные процессы. Ошибки в ходе репликации ДНК и расхождении
хромосом приводят к аномалиям и заболеваниям. Цитологи обычно при анализе клеточного
деления выделяют 5 последовательных фаз: интерфазу (G1, [G0], S, G2), профазу,
метафазу, анафазу и телофазу.
Интерфазное ядро имеет гомогенную структуру, является транскрипционно-активным. В
интерфазном ядре происходит удвоение центриолей и репликация хромосом; которая
становится заметной в профазе, профаза – первая стадия подготовки ядра к делению. В
профазе становится заметна двойная природа хромосом. В прометафазе происходит
исчезновение ядерной мембраны и происходит движение хромосом в область экватора
клетки.
35
Процесс деления, при котором исходно диплоидная клетка дает две дочерние, также
диплоидные, клетки, называется митозом. Основное свойство митоза- точное расхождение
сестринских хроматид в дочерние ядра. На обеспечение этого процесса направлены все
основные события митоза:
1) обособление и последующее расхождение сестринских центросом до определенных
точек, локализующихся на поверхности ядра и определяющих расположение полюсов
веретена, в направление которых будут расходиться хромосомы в анафазе;
2) реорганизация сети интерфазных микротрубочек в полярные веретена, исходящие
от центросомы;
3)
реорганизация
диффузного
интерфазного
хроматина
в
удобную
для
транспортировки структуру – конденсированную митотическую хромосому.
1) Митоз начинается после активации MPF (Maturation Promoting Factor).
Инъекция MPF приводит к началу митоза. Разрешающий фактор инициирует репликацию,
затем другой белковый фактор контролирует однократную репликацию. «Машина» синтеза
ДНК выбирает ядро с нереплицированными хромосомами. Фосфорилируются белки
центросом и хромосом. Как только принято решение о начале синтеза ДНК, синтез
начинается и идет, пока не завершится. Остановить синтез ДНК чрезвычайно трудно. После
репликации каждая хромосома становится как бы удвоенной. Каждая хромосома в этой паре
называется хроматидой. До анафазы две сестринские хроматиды сцеплены вместе,
благодаря молекулам белка когезина, который сшивает хроматиды.
2) Расходятся центросомы в ранней профазе. В конце профазы начале прометафазы
обычно исчезают ядерная оболочка и ядрышко.
3) Во время прометафазы формируется веретено деления за счет микротрубочек
интерфазной клетки. Хромосомы конденсируются. Это достигается путем компактизации
хроматина. Плотность упаковки хроматина – 140 у дрожжей, 10000 в метафазной хромосоме
человека, т.е. длина хромосом уменьшается вследствие компактизации хроматина
соответственно в 140 и в 10000 раз. В интерфазной хромосоме разных эукариотических
организмов коэффициент компактизации составляет 80-100. Конденсация хромосом идет от
центромеры к теломерам. В конденсации хроматина участвует большое количество белков,
основной среди которых - конденсин.
4) Образование на хромосоме кинетохора, структуры позволяющей полярным нитям
веретена деления присоединиться к хромосоме.
В метафазе, имеющиеся в клетке хромосомы выстраиваются в области «экватора» клетки,
образуя митотическую пластинку, к ним прикреплены нити веретена деления. Каждая
36
хромосома располагается так, что ее центромера находится точно в экваториальной
плоскости. Все остальное тело хромосомы может лежать вне этой плоскости. В метафазе
когезин выходит из хромосом, которые к началу анафазы остаются сцепленными только в
области центромеры. Хромосомы (метацентрические и субметацентрические) при этом
имеют форму в виде буквы Х, но только во время метафазы.
Во время следующей фазы митотического деления– анафазы - разделяются
центромеры хромосом и сестринские хроматиды, которые уже называются дочерними
хромосомами, растягиваются к полюсам клетки. Во время метафазы – анафазы цитоплазма
имеет наименьшую вязкость, что значительно облегчает движение хромосом в цитоплазме.
Перед анафазой клетка проверяет число и состояние кинетохоров. В случае аномальной
сегрегации хромосом дочерние клетки останавливаются в интерфазе следующего цикла.
Нарушение точной сегрегации хромосом в анафазе гарантируется системой контроля,
приводящей к задержке митоза. Задержка может быть обратимой, если за счет
репарационных или компенсаторных механизмов произошло восстановление процесса
митоза.
Если система контроля не срабатывает, а деление клеток не блокируется, то
возможна трансформация делящихся клеток в раковые. В телофазе дочерние хромосомы
деспирализуются и утрачивают видимую индивидуальность. Образуется ядро, ядерная
оболочка, ядрышко и все внутриядерные структуры, затем клетка делится (цитокинез),
образуя две копии исходной материнской клетки.
Длительность фаз митоза могут варьировать у разных видов, в клетках разных тканей,
например, у клеток корневой меристемы гороха при 25С: профаза длится -54мин, метафаза14мин, анафаза-3мин, телофаза -11мин, а у клеток селезенки мыши профаза длится –20-35
мин, метафаза-6-15мин, анафаза-8-14мин, телофаза –9-26мин.
Важную роль в расхождении хромосом во время митоза играет кинетохор.
Кинетохор
формируется на центромере только во время митоза и на время митоза. Кинетохор
представляет собой трехслойную дископодобную структуру из белков и ДНК. Петли
хроматина выходят на поверхность кинетохора, связывая его внутренние и внешние слои.
Кинетохор позвоночных состоит из множества функциональных единиц (ф.у.).У дрожжей
одна, у позвоночных от 10 до 45. У человека -30. Функции кинетохора: 1) присоединение к
микротрубочкам, 2) транспортировка хромосом,
3) задержка митотического деления в
случае повреждения веретена или несцепления микротрубочек с кинетохором. ДНК
центромерного хроматина упакована в нуклеосомоподобные частицы, в которых гистон Н3
замещен гистон-подобным белком CENP-A, который в отличие от Н3 не фосфорилируется,
что препятствует конденсации хроматина. Регуляция событий митоза организована таким
образом, чтобы гарантировать точную сегрегацию хромосом. Подсчитано, что примерно
37
около 100 генов эукариот вовлечены в организацию митоза, что составляет 1/6 всех генов
клеточного цикла.
Основные белки-регуляторы клеточного цикла.
Циклин-зависимые киназы- Cdk. Функция- фосфорилирование белков, участвующих в
основных событиях клеточного цикла. Циклины семейства А регулируют прохождение
стадий G1-S, необходимы для репликации ДНК. Переход G2-M регулирует комплекс CycACdk1.
Циклины D обеспечивают клеточный рост и накопление массы. Программы:
пролиферация, дифференцировка, апоптоз.
Регуляция событий митоза организована таким образом, чтобы гарантировать точную
сегрегацию хромосом. Подсчитано, что примерно около 100 генов эукариот вовлечены в
организацию митоза, что составляет 1/6 всех генов клеточного цикла. Нарушение точной
сегрегации гарантируется системой контроля, приводящей к задержке митоза. Задержка
может быть обратимой, если за счет репарационных или компенсаторных механизмов
произошло восстановление процесса митоза. В случае аномальной сегрегации хромосом
происходят необратимые нарушения, и дочерние клетки останавливаются в интерфазе
следующего цикла. Если система контроля не срабатывает, а деление клеток не блокируется,
то возможна трансформация делящихся клеток в раковые. Важную роль в контроле
прохождения событий митоза играет сигнальная система – Checpoints, которая контролирует
точность и последовательность событий клеточного цикла, блокирует выход из митоза.
Система сhecpoints работает по схеме: белки-сенсоры контролируют завершение событий
клеточного цикла и посылают соответствующие сигналы, принимаемые эффекторами –
ответными элементами, которые осуществляют задержку движения клеток по циклу. В
случае аномальной сегрегации хромосом дочерние клетки останавливаются в интерфазе
следующего цикла.
При политении происходит редупликация хромосом без их расхождения. Хромосомы при
этом не расходятся и примыкают друг к другу по всей длине, четвертичный уровень
компактизации хромосом при этом не наблюдается. Образуются политенные хромосомы,
число тонких хромосомных нитей в которых достигает 1000-2000. При политении не
проходят все основные фазы митоза, кроме репродукции хромосом в интерфазе. Политения
наблюдается в клетках слюнных желез двукрылых насекомых, в клетках некоторых растений
и простейших. Политенные хромосомы – это интерфазные, активно фугкционирующие
хромосомы, которые имеют
характерный рисунок поперечной исчерченности - рисунок
хромомеров. Гомологичные хромосомы каждой пары способны конъюгировать максимально
точно: диск к диску, что создает видимость одной хромосомы.
38
2.1.5. Мейоз. Хромосомная теория наследственности.
Мейоз
Обычно все соматические клетки эукариотического организма обладают диплоидным
набором хромосом. Половые клетки (гаметы) - сперматозоиды и яйцеклетки- имеют
гаплоидный набор хромосом. Процесс образования половых клеток - проходит во время
специфического деления клетки, называемого мейозом. Исследования мейоза в XX в.
выявили множество примеров сходства цитологических картин этого процесса у
представителей близких и далеких таксонов: протистов, грибов, растений и животных.
"Классический" тип мейоза доминирует во всех царствах эукариот.
Исходная клетка зародышевого пути до того как пройти этапы гаметогенеза имеет
диплоидный набор хромосом, который удваивается во время интерфазы. Затем проходят два
последовательных деления напоминающие митоз, но имеющие важные отличия от
последнего. Характерная особенность мейоза заключается в том, что процесс редупликации
ДНК происходит только в интерфазе первого деления мейоза, а второе деление мейоза
проходит без синтеза ДНК, поэтому во время 2-го мейотического деления количество ДНК в
клетке уменьшается вдвое. Из исходных клеток с диплоидным набором хромосом
возникают гаметы с гаплоидным набором. Из одной диплоидной клетки образуются четыре
гаплоидные. Фазы деления клетки во время мейоза, которые следуют за интерфазой,
называются также как и в митозе: профаза, метафаза, анафаза, телофаза, но при этом
указывается, к какому делению мейоза она относится. Во время 1-го мейотического деления,
как
правило,
наблюдается
рекомбинация
между
гомологичными
хромосомами
–
кроссинговер, который происходит в профазе первого деления мейоза (профазе I).
Основные этапы мейоза.
(1) В премейотической интерфазе и ранней лептотене под действием специфических для
мейоза эндонуклеаз возникают двойные разрывы ДНК.
(2) Одновременно наблюдается локальное взаимное узнавание отдельных локусов
гомологичных хромосом и их попарное соединение.
(3) На стадии зиготены происходит тесное сближение гомологичных хромосом по всей их
длине – синапсис. В результате синапсиса хромосом состоящих из двух хроматид
образуются биваленты, в состав которых входит 4 хроматиды. В зиготене между
гомологичными хромосомами начинается формирование синаптонемных комплексов.
Синаптонемные комплексы, временно соединяющие гомологичные хромосомы в профазе
первого мейотического деления (М-1), создают условия для точного и равного обмена
участками
гомологичных
хромосом
-
кроссинговера.
В
результате
кроссинговера
наблюдаются хиазмы - физические перекресты несестринских хроматид в гомологичных
39
хромосомах . Хотя кроссинговер проходит в профазе I мейоза, но его решающие для мейоза
последствия проявляются в метафазе I и анафазе I. Одна хроматида из каждой хромосомы
претерпевает в результате кроссинговера обмен сегментами с несестринской хроматидой из
гомологичной хромосомы. Эти сегменты вследствие кроссинговера оказываются линейно
связанными уже не со своими, а с несестринскими центромерами (и кинетохорами), но
остаются частично сцепленными со своими сестринскими хроматидами, примыкая к ним.
(4) Завершение построения СК по всей длине бивалентов означает начало стадии пахитены
(самой длинной стадии профазы-I), во время которой происходят заключительные события
рекомбинации - реализация рекомбинантных событий в виде кроссинговера.
(5) Следующая стадия диплотена начинается с момента расхождения гомологичных
хромосом. На стадии диплотены СК поэтапно разрушается, исчезает контакт (когезия)
сестринских хроматид во всех локусах кроме хиазм, и хиазмы -результат кроссинговера становятся видимыми в микроскоп. Число хиазм обычно соответствует количеству
рекомбинантных событий в пахитене. Для диплотены и следующей стадии диакинеза
характерно дальнейшее укорочение хромосом вследствие компактизации.
(6) Во время метафазы-I гомологичные хромосомы, соединенные хиазмами в виде
бивалентов, коориентируются к разным полюсам на экваторе веретена клеточного деления.
(7) Во время анафазы-I гомологичные хромосомы расходятся. Полная сегрегация
рекомбинировавших рецессивных и доминантных аллелей совершается только в анафазе.
Гены, управляющие мейозом, обусловливают расхождение в анафазе- I не
сестринских
хроматид (как в митозе), а гомологичных хромосом, каждая из которых остается состоящей
из двух сестринских хроматид.
Основная цель мейоза - генетическая рекомбинация, которая реализуется посредством
кроссинговера в ходе созревания половых клеток. При этом происходит редукция числа
хромосом,
а
затем,
во
время
оплодотворения,
диплоидное
число
хромосом
восстанавливается. Рекомбинация между гомологичными хромосомами приводит к
интенсивной перетасовке отцовских и материнских генов во время мейоза. Это событие
происходит на стадии четырех хроматид у самцов в ходе сперматогенеза, а у самок в ходе
оогенеза. В обмене участвуют две из четырех хроматид. Гомологичная рекомбинация
происходит между двумя дуплексными молекулами ДНК. Ферменты, участвующие в этом
процессе,
могут
использовать
в
качестве
субстрата
любую
пару
гомологичных
последовательностей.
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РАЗЛИЧИЯ МЕЙОЗА И МИТОЗА. Цитологические явления,
принципиально отличающие мейоз от митоза, контролируются тремя группами генов: это (1)
40
гены синапсиса, (2) гены рекомбинации гомологичных хромосом в профазе-I мейоза и (3)
гены кинетического аппарата мейоза I.
Эти три группы генов обеспечивают прохождение событий отличающих мейоз от
митоза в соответствии с разными задачами, реализуемыми в ходе этих типов делений.
Синапсис обеспечивает сближение хроматид из парных гомологичных хромосом для
совершения рекомбинационных событий (кроссинговера). Затем микротрубочки веретена
деления точно распределяют гомологичные хромосомы между клетками во время 1-го
мейотического деления. Хроматиды разошедшихся хромосом, которые участвовали в обмене
участками ДНК (рекомбинации), называются кроссоверными.
Рассмотрим классическую схему мейоза в сравнении со схемой митоза. Как известно, в
митозе на экваторе веретена деления выстраиваются хромосомы, состоящие из двух
сестринских хроматид (СХ). Их удерживают на экваторе веретена деления две силы: сила
натяжения хромосомных нитей веретена, тянущих к полюсу, и сцепление (когезия)
сестринских хроматид в области центромеры. Кинетохор во время метафазы уже удвоен, и
когда белок когезин разрушается, сцепление СХ исчезает, и микротрубочки веретена
разводят СХ к противоположным полюсам.
Резюмировать описание действия генов, управляющих стадиями мейоза, можно так:
гены синапсиса, гены рекомбинации гомологичных хромосом в профазе-I мейоза и гены
обеспечивающие расхождение хромосом в метафазе - I обусловливают расхождение в
анафазе I не сестринских хроматид (как в митозе), а гомологичных хромосом, каждая из
которых остается состоящей из двух сестринских хроматид, некоторые из которых
кроссоверные.
Хромосомная теория наследственности
В 1902-1904г.г. Т. Бовери и В. Сэттон высказали идею о параллелизме между независимым
расщеплением признаков и поведением гомологичных хромосом в мейозе, что послужило
первым шагом к формированию хромосомной теории наследственности. В дальнейшем,
Томасом Морганом в 1910г. и его студентом Кальвином Бриджесом в 1916г., была показана
четкая взаимосвязь между отдельными генами и отдельными хромосомами. Эти опыты
показывали, что два аллеля находящиеся в разных гомологичных хромосомах расходятся в
разные гаметы вместе с гомологичными хромосомами во время мейоза. Те аллельные гены,
которые находятся в парных гомологичных хромосомах, попадают в разные гаметы
независимо от других аллельных генов локализующихся в других парах гомологичных
хромосом и комбинируются вместе с хромосомами, в которых они находятся. Линейное
расположение генов в хромосоме также стало понятным после работы Т. Моргана и его
41
сотрудников А. Стертеванта, Г. Меллера, К. Бриджеса и др., после того как Морган показал,
что гены локализованы в хромосомах и расположены в них линейно. На этом основано
картирование генов.
Для определения положения гена используют методы генетического и физического
картирования. Генетическое картирование – это определение положения генов в
хромосоме на основе анализа их сцепления и рекомбинации при изучении родословных.
Маркеры, используемые в исследовании должны быть полиморфными, т.е. должны
существовать альтернативные формы признака, которые изучают у членов семьи. Карты
генетического сцепления строят, наблюдая за тем, как два маркера наследуются вместе. Два
маркера, расположенные на одной хромосоме, наследуются совместно, но во время мейоза,
возможно, их разделение в результате рекомбинации. Частота рекомбинации определяет
генетическое расстояние между двумя генами на генетической карте. Если частота
рекомбинаций равна 1%, то говорят, что два гена находятся на расстоянии одного сМ
(сантиморганида) в честь Томаса Моргана. 1сМ примерно равен 1 млн пар оснований =1Мб(
мегабаз). Уровень разрешения обычно составляет 10Мб.
Например, у мухи дрозофилы расстояние между геном, определяющим цвет тела, и геном,
определяющим длину крыльев, равно 17 морганидам. Следовательно, если принять, что у
дигибридов по цвету тела и длине крыльев (генотип AaBb) оба доминантных гена
расположены в одной хромосоме, а оба рецессивных в другой, то кроссоверных гамет
образуется 17%( 8,5% Ab и 8,5% aB ), некроссоверных 83% ( 41,5% AB и 41,5% ab).
Хромосомное определение пола
Сцепленными
с
полом
называются
признаки,
которые
определяются
генами,
локализованными в половых хромосомах или гетеросомах. Как правило, хромосомы,
определяющие пол отличаются друг от друга. Более крупные хромосомы из пары половых
хромосом называются Х – хромосомами, а более мелкие Y- хромосомами. В X и Y –
хромосомах есть гомологичные участки, содержащие аллельные гены, и есть участки
негомологичные, в которых лежат гены, не имеющие в другой половой хромосоме
соответствующих аллелей. Признаки генов из гомологичных участков при наследовании
подчиняются законам Менделя, в то время как признаки из негомологичных участков
проявляются всегда и в доминантном и в рецессивном состоянии. К таким относятся ген
классической гемофилии, который находится в негомологичном участке Х- хромосомы, и
ген, определяющий появление волосков на верхней части ушной раковины, локализованный
в негомологичном участке Y- хромосомы.
42
2.1.6. Структура гена
В 20-х годах 20-го века сложилось представление о гене как о материальной частице,
лежащей в хромосоме, в которой хранится информация о признаках организма. Было
известно, что эта единица способна к саморепродукции, рекомбинации, мутированию.
В 1910 г. Т. Морган, А. Стертевант, К. Бриджес и Г. Меллер показали, что гены имеют
линейное расположение в хромосоме, как бусы на нитке. Были определены порядок
расположения некоторых генов и даже относительное расстояние между ними.
Ген считался неделимым до того как А.С. Серебровский и Н.П. Дубинин доказали делимость
гена. Они обнаружили самок, у которых в Х-хромосоме находился один аллель, а вдругой
хромосоме другой аллель этого же гена. Эти аллели отвечали за развитие щетинок, но
каждый из них определял наследуемость вполне определенных щетинок. Мутации,
затрагивающие ген на одной хромосоме, вызывал редукцию щетинок на вполне
определенных местах, не влияя на развитие щетинок, развитие которых определялось другим
аллелем. Много позже М. и К. Грин(1949) показали делимость гена у дрозофилы
посредством кроссинговера. В 1940 году Дж. Бидл и Э. Татум, изучая биохимические
мутации у Neurospora crassa сформулировали принцип: один ген – один фермент.
Гены обычно подразделяют на две основные группы: структурные и регуляторные.
Структурные гены кодируют белки, необходимые для ферментативных или структурных
функций. Регуляторные гены кодируют белки, которые регулируют экспрессию других
генов. Так как продукты рег-генов сами находят мишени для активирования, то этот тип
взаимодействия
называют
транс-регуляцией.
Белок
регулятор
связывается
с
цис-
регулирующей последовательностью регулируемого гена, которая располагается обычно
перед геном мишенью. Структурные гены бактерий обычно организованы в кластеры
(батареи), чьи функции связаны. Группа генов, в состав которой входят структурные гены и
гены, регулирующие их экспрессию называют опероном. Модель оперона была предложена
Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961г.
Структура лактозного оперона
Белок-репрессор имеет два сайта связывания: один для индуктора, другой для оператора.
Когда индуктор связывается со своим сайтом, изменяется конформация репрессора и он
теряет способность связываться с другим сайтом. Индуктор лактоза поступает в клетку,
связывается с репрессором, он теряет способность связываться с участком ДНК-оператором
и начинается транскрипция. Каждый ген состоит из регуляторной части, с которой
начинается транскрипция, кодирующей части, в которой записаны информация о структуре
белка и терминирующей части, в которой завершается транскрипцияю. Двойная спираль
43
ДНК в области промотора денатурируется под действием РНК-полимеразы у прокариот или
транскрипционного комплекса у эукариот с образованием «транскрипционного пузырька».
РНК синтезируется в направлении от 5/ к 3/ концу одной из цепей ДНК, которая называется
матричной. Вторая называется кодирующей. Транскрипция заканчивается, когда молекула
РНК-полимеразы достигнет терминирующего участка или терминатора.
Регуляторная часть гена
У прокариот процесс транскрипции осуществляется с помощью РНК полимеразы и
присоединяющегося к ней сигма-фактора. Сама РНК-полимераза состоит из 4-х
полипептидов, которые осуществляют основную реакцию полимеризации рибонуклеотидов
и копирование одной из цепей ДНК. Сигма-фактор необходим для опознания промотора –
особого участка в начале гена. Промоторы имеют определенные последовательности
нуклеотидов,
Промоторы
узнаваемые
обладают
РНК-полимеразой,
стартовой
точкой
после
чего
начинается
транскрипции
и
ряд
транскрипция.
консервативных
последовательностей, определяющих взаимодействие с сигма-фактором. Затем РНКполимераза связывается с доменом Прибнова (ТАТААТ), одновременно с этим расплетается
полностью почти 2 витка спирали ДНК и начинается процесс транскрипции.
У
эукариот
процесс
транскрипции
значительно
сложнее.Во-первых,
транскрипция
осуществляется при помощи 3-х разных РНК-полимераз. Во-вторых РНК-полимераза не
может самостоятельно инициировать транскрипцию. Для ее активирования необходимо
большое количество белков, называемых общими факторами транскрипции, которые
должны объединиться в комплекс и связаться с энхансером, прежде чем транскрипция
начнется. В-третьих, большинство регуляторных белков у эукариот способны влиять на
транскрипции, даже если они связываются с участками ДНК, расположенными за тысячи пар
нуклеотидов от промотора. Известны также зоны ДНК, ответственные за репрессию
активности генов – сайленсеры.
При рассмотрении вопроса об энхансерах, которые способны за счет петли
соединиться с очень удаленным промотором, возник вопрос почему не оказывают влияние
на многие промоторы. Оказалось, что существуют структуры, называемые инсуляторами (от
англ.
Insulate-изолировать).
Инсуляторы
разграничивают
соседние
гены,
блокируя
взаимодействие между энхансерами и промоторами.
В 1998 году американские ученые Эндрю Файр и Крэйг Меллоу опубликовали
сделанное ими открытие механизма, который позволяет заглушать некторые гены в иРНК,
предотвращая тем самым синтез соотвествующих белков. По словам Льва Киселева,
новоиспеченные
лауреаты
открыли
принципиально
новую
группу,
новый
класс
44
биологически активных веществ, называемый малыми интерферирующими РНК. Как
известно, в ДНК человека содержится примерно 20 тыс. генов, созданных из примерно 3
млрд нуклеотидных пар. Несколько лет назад была составлена нуклеотидная карта
человеческого ДНК, что явилось значительным открытием, однако эта карта описывает
только последовательность, но не функции человеческих генов. Теперь же появилась
возможность перейти к созданию функциональной карты, и эта работа, по мнению Киселева,
может быть завершена уже через год-два. Используя описанную Файром и Меллоу
технологию, можно по очереди выключать ген за геном и смотреть, какие функции при этом
пропадают и появляются. Таким образом, человечество будет впервые знать, какую нагрузку
несет каждый ген. И это имеет огромное значение.
Однако для широкой общественности могут иметь еще большее значение прикладные
применения этого открытия. Так, появляется принципиальная возможность подавлять
избыточное или недостаточное производство определенных белков, что характерно для
запуска процессов образования опухолей, как доброкачественных, так и раковых. На
принципиальном уровне процесс кажется решенным и технологически достижимым уже в
ближайшие годы. Но, предостерегает Киселев, в период появления новых открытий часто
возникает определенная эйфория, которая позднее наталкивается на практические
ограничения. Не исключено, что такие ограничения могут коснуться и данного метода. Одно
из них очевидно уже сейчас – РНК является весьма нестабильным в сравнении с ДНК
химическим
соединением,
поэтому
возникает
проблема
обеспечения
стабильного
пребывания и работы в клетке долгое время внесенного в нее медиками специфичного РНК.
Хотя решение и этой проблемы известно уже сегодня, тем не менее, ученым есть над чем
подумать в области терапевтического использования нового метода.
Но в первую очередь медики сделают удар не по раку, а по вирусам. Ведь вирусы содержат
намного меньше генов, чем клетка человеческого тела, поэтому их куда быстрее изучить и
понять, какие гены следует подавить, чтобы остановить начало вирусного заболевания. И
этот результат может быть получен довольно быстро.
Структурная часть гена. Экзоны и интроны.
Исследование процессов транскрипции показало, что РНК синтезируемые на
матричной ДНК эукариот гораздо крупнее, чем матричные РНК, с которых в рибосомах
считывается информация во время трансляции. Такие предшественники мРНК были названы
про-мРНК или гетерогенными ядерными РНК. Выяснилось, что в гетерогенных ядерных
РНК присутствуют протяженные участки, считанные с участков генов, некодирующих
информацию о структуре белка – интронов. Впоследствие по завершении процесса
45
созревания РНК, называемого процессингом, образуется зрелая молекула мРНК, которая
намного меньше про-мРНК. В ходе процессинга из молекулы РНК удаляются участки,
соответствующие интронам, происходит сращивание экзонов (сплайсинг), добавляется
короткий фрагмент на 3/ конце ( 5/ кэп) и поли А хвост на 3/ конце молекулы РНК.
Интроны- некодирующие участки генов и экзоны, кодирующие участки генов были
обнаружены Р. Робертсом и П.А. Шарпом в 1977г. Такой тип структурной организации генов
обнаружен для большинства генов эукариот. У вирусов и бактерий интронов нет. Число и
внутригенная локализация интронов характерны для каждого гена. Некоторые гены
содержат только один-два интрона, но часто их гораздо больше. Например один из генов
коллагена содержит 51 интрон. Длина интрона может быть различной от нескольких десятко
нуклеотидов до многих тысяч. Общая длина всех интронов часто превышает суммарную
длину экзонов. К примеру из 7000 п.н. гена овальбумина 75% составляют интроны. Все
интроны вырезаются во время сплайсинга.
Альтернативный сплайсинг
В некоторых случаях не все экзоны транслируются в аминокислотные последовательности. В
результате с одного гена считывается более одного типа мРНК. Различные механизмы
образования многих типов молекул РНК, считываемых с одного гена могут происходить за
счет изменения инициации и терминации транскрипции, а также сплайсинга. Использование
альтернативных промоторов может изменять 5/ конец, использование альтернативных
терминаторов 3/ конец транскрипта.
В интронах некоторых генов располагаются другие гены. Например один из генов
дрозофилы занимающий 130 т.п.н. содержит 13 экзонов,между которыми содержится еще 5
генов.
Гомологией обладают гены «домашнего хозяйства» (рРНК, гистонов), гены выполняющие
одинаковые функции, например гены теплового шока.
Псевдогены имеют все черты генов, т.е. набор экзонов, поли АТ-хвост и короткие прямые
повторы, но остаются функционально неактивными. Традиционные псевдогены возникают в
результате дупликаций определенных генов, которые затем выключаются в результате
делеций и точковых мутаций. Процессированные псевдогены. У них нет интронов, но есть
остатки поли(А) тракта. В геноме человека не менее 3000 последовательностей можно
рассматривать в качестве псевдогенов.
Терминация транскрипции
Терминация транскрипции прокариотических генов обусловлена особыми элементамитерминаторами. Один из них последовательность терминатор 2-го типа, которая связывается
со специфическим белком. Часто РНК-полимераза принимает участие в терминации, а также
46
белки терминаторы 1-го типа (инвертированный повтор), которые независимы от белка
соединяющегося с терминаторами 2-го типа. Эта последовательность замыкается нитью из 48 А(Т) нуклеотидов, на которой синтезируется У-последовательность. Три основных
события происходят на терминаторах обоего типа:
1) останавливается синтез РНК, 2) цепь РНК освобождается от ДНК, 3) РНК-полимераза
освобождается от ДНК.
Расположение генов в хромосомах эукариот
У эукариот не распространен оперонный тип распололожения генов, т.е. объединение в
блоки
генов,
находящиеся
под
общим
контролем.
Даже
гены,
контролирующие
последовательные биохимические реакции, расположены в разных районах хромосом и даже
в разных хромосомах. Но известны примеры кластерного расположения генов. Например
гены гемоглобинов, тРНК, рРНК, гистоновые гены. Число копий генов рРНК варьирует у
эукариот от 100 до 1000. У эукариот транскрипционная единица рРНК варьирует от 7 до 8
т.п.н., и кодирующая часть составляет 70-80% от величины транскрипта.
Общая длина кластера гистоновых генов у дрозофилы составляет примерно 500 т.п.н. (100
повторов единицы около 5 т.п.н. с пятью генами в каждой).
В кластеры собраны гены, контролирующие развитие крупных частей тела (гомеозисные
гены) дрозофилы. Их называют комплексами. Головная капсула дрозофилы формируется в
результате активности генов комплекса Antennapedia, брюшная часть генами комплекса
Bithorax.
Геномика
Геномика сформировалась как особое направление в 1980—1990-х гг. вместе с
возникновением первых проектов по секвенированию геномов некоторых видов живых
организмов. Первым был полностью секвенирован геном бактериофага X174; (5 368 kb) в
1980 г. Следующим этапным событием было секвенирование генома бактерии Haemophilus
influenzae (1.8 Mb) (1995). После этого были полностью секвенированы геномы еще
нескольких видов, включая геном человека (2001 — первый черновой вариант, 2003 —
завершение проекта). Её развитие стало возможно не только благодаря совершенствованию
биохимических методик, но и благодаря появлению более мощной вычислительной техники,
которая позволила работать с огромными массивами данных. Протяженность геномов у
живых организмов подчас измеряется миллиардами пар оснований. Например, объем генома
человека составляет порядка 3 млрд. пар оснований, или 3 000 Mb, а самые крупный из
известных геномов (у одного из видов амёб) — 6.7 Х 1011 пар оснований.
47
Направления геномики
Геномика подразделяется на несколько почти самостоятельных направлений:
структурную, функциональную, сравнительную, эволюционную, медицинскую геномику.
Структурная геномика изучает последовательность нуклеотидов в геномах, определяет
строение и границы генов, межгенных участков и других структурных генетических
элементов. Функциональная геномика идентифицирует функции каждого гена и участка
генома, их взаимодействие в клеточной системе. Сравнительная геномика изучает сходство и
различия в организации геномов разных организмов с целью выяснения общих
закономерностей их строения и функционирования. Эволюционная геномика объясняет пути
эволюции геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль
горизонтального переноса генов. Медицинская геномика решает прикладные вопросы
клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и
патогенных организмов (например, диагностика наследственных болезней, генотерапия,
причины вирулентности болезнетворных микроорганизмов). Геномика микроорганизмов
имеет прямое отношение к клинической медицине. Структурные и функциональные
исследования геномов патогенных бактерий показали их высокую пластичность. Эти
представления имеют непосредственное практическое значение: они используются для
разработки экспресс-методов типирования бактерий и оценки риска бактериальной
контаминации;
для
создания
лекарств,
направленных
на
специфические
мишени,
блокирующие работу генов патогенности; для более целенаправленного создания вакцин.
Практическое приложение сведений о нуклеотидной последовательности геномов многих
патогенных вирусов уже широко реализуется. Генно-инженерным путем создаются
непатогенные фрагменты геномов вирусов. Такие фрагменты способны к экспрессии в
высоких концентрациях белков вирусов, которые необходимы для приготовления
диагностических и вакцинальных препаратов. Развивается технология приготовления ДНКвакцин против СПИДа, гепатита С и других вирусных инфекций. В предыдущие годы
основное внимание в изучении наследственности человека было сосредоточено на
структурной
геномике,
теперь
же
основные
исследования
проводятся
в
русле
функциональной геномики. С точки зрения общей патологии произошло изменение
направления изучения от этиологии наследственных болезней (специфические мутации) к их
патогенезу (механизмы формирования патологического фенотипа). Акцент в изучении
наследственной патологии сместился с моногенных болезней и анализа одного гена в
сторону мультифакториальных болезней, анализа множественных генов и изучения
предрасположенности.
48
Протеомика
Функциональная геномика тесно соприкасается и фактически перекрывается с новым
направлением биологии, получившим название "протеомика" - наука о протеомах. Слово
"протеом" образовано от слова "протеин" (белок) и окончания слова "геном", так что в
самом названии как бы
слиты воедино белок и геном (ДНК). Это подчеркивает их
теснейшую взаимосвязь. Однако между геномикой и протеомикой, между геномом и
протеомом есть одно фундаментальное различие, которое вызывает к жизни совершенно
новые методы исследования, новые стратегии. Протеом - понятие динамическое, тогда как
геном стабилен и постоянен, иначе было бы невозможно передать наследственные свойства
от поколения к поколению, обеспечить сохранение видов и т.д. Изменчивость генома всегда
происходит на фоне его высокой стабильности и ни в коей мере ее не отменяет.
Протеом - набор белков данной клетки в данной фазе ее развития в данный момент
времени - меньше генома по общему объему информации. В любой клетке человеческого
организма никогда не функционируют все 40-50 тыс. генов, работает лишь их часть иногда меньшая, иногда большая. Хотя точные цифры привести пока трудно, но в
обычной специализированной клетке, например клетке печени или легкого, одновременно
присутствуют, вероятно, не более 10 тыс. белков, причем в резко различных количествах от нескольких молекул на клетку до нескольких процентов общего клеточного белка. Набор
белков постоянно меняется в зависимости от фазы клеточного деления, тканевой
специализации клетки, стадии ее дифференцировки, принадлежности к нормальным или
злокачественным клеткам, состояния стресса или покоя, воздействия внеклеточных
физиологически активных веществ и так до бесконечности. Поэтому белковый "портрет"
клетки зависит от множества факторов и воздействий, подвержен практически непрерывным
изменениям, что делает его изучение особенно трудным. Существует букет протеомных
технологий, каждая имеет свои достоинства и недостатки. Упомянем о двух, сегодня,
пожалуй, наиболее эффективных. Сложную смесь белков, экстрагированных из клетки,
можно подвергнуть разделению на носителе (обычно это полиакриламидный гель) в двух
направлениях: в одном белки будут делиться по размерам (молекулярной массе), в другом по электрическому заряду (изоэлектрической точке). В результате получается
двумерная карта, содержащая многие сотни точек, каждая из которых
одному или нескольким белкам. Если исследователя интересует
можно ее выделить на карте и подвергнуть повторному
соответствует
какая-то группа белков,
разделению в несколько
измененных условиях с более высоким разрешением. Сейчас в банках данных хранится
информация о множестве разных типов клеток, белки которых были подвергнуты
электрофоретическому разделению в двух направлениях. Компьютер умеет сравнивать такие
49
двумерные белковые карты и вычленять то, что у этих типов клеток одинаково, а по каким
белкам они различаются. Метод двумерных карт непрерывно совершенствуется, и
большинство индивидуальных белковых точек, которые видны на этих картах, уже
идентифицированы или находятся в процессе идентификации. Наиболее современный метод
идентификации белков состоит в том, что исследуемый белок подвергают расщеплению на
фрагменты (пептиды) с помощью того или иного фермента (протеазы). Затем полученные
пептиды разделяют, обычно с помощью хроматографии под высоким давлением, а потом
каждый из индивидуальных пептидов помещают в масс-спектрометр и узнают его массу.
Сравнение полученных результатов с имеющимися в базах данных по белкам позволяет
надежно опознать белок, если его структура известна. Для неизвестного белка этот метод
помогает
найти
"родственников",
следовательно,
сформулировать
предварительное
представление о его возможной функции. Изменчивость протеома связана не только с тем,
что в данный момент времени работает одна часть генов, а в другой момент - иная. Набор
белков сильно зависит от процессов, протекающих на пути от ДНК к матричной РНК
(мРНК). Здесь большая часть первичных генных продуктов (РНК) подвергается так
называемому альтернативному сплайсингу, суть которого состоит в том, что до образования
зрелой матричной РНК из нее удаляются разные части молекулы. В результате один ген
может породить множество белков, различающихся первичной структурой. Таким образом,
стало очевидно, что одна из старых догм биохимии и молекулярной биологии - "Один ген один фермент" - нуждается в модернизации. Для очень многих случаев справедлива
формула: "Один ген - много белков".
Однако и это еще не все. После синтеза белки
претерпевают множество химических изменений (модификаций), которые создают их
огромное разнообразие, хотя исходно они кодированы одним геном. К числу таких
модификаций относятся реакции фосфорилирования, ацетилирования, метилирования,
гликозилирования и многие другие. Если учесть, что на большом белке есть множество мест,
где эти модификации могут происходить, то легко себе представить, какое практически
бесконечное разнообразие форм одной и той же белковой молекулы может возникнуть.
Подавляющее большинство модификаций существенно сказывается на биологической
активности данной молекулы белка, а также на ее способности взаимодействовать с другими
белковыми молекулами. В итоге мы приходим к заключению, что когда в клетке работает,
10% всех генов, допустим 8 тыс., то количество разных белков может превысить эту
величину в 10 раз. Исследователи и раньше догадывались, что такая ситуация возможна,
однако только теперь реально представляют ее истинные масштабы.
50
2.1.6. Изменчивость наследственного материала
Изменчивостью называют различия между особями, принадлежащими к одной и той же
группе (вид, популяция), которые не могут быть приписаны различиям в возрасте, поле и
стадии жизненного цикла. Иными словами - это свойство организма изменять в той или иной
степени свои биохимические, морфологические и физиологические признаки на любом этапе
развития.
Различают
два
вида
изменчивости:
наследственную,
генотипическую
и
ненаследственную, фенотипическую (проявляющуюся в результате взаимождействия с
окружающей средой).
Наследственную изменчивость подразделяют на мутационную и комбинативную.
Причиной мутационной изменчивости являются мутации. Комбинативная изменчивость
существует вследствие перекомбинации аллельных состояний генов в том числе
мутировавших.
Комбинативная изменчивость- а)рекомбинация генетического материала в мейозе; б)
независимым расхождение негомологичных хромосом в 1-м мейотическом делении. Число
комбинаций 2ª, где а- гаплоидное число хромосом; в) случайным воссоединением гамет при
оплодотворении, к этому времени каждая из гамет уже уникальна вследствие ранее
указанных механизмов. Если бы гомологичные хромосомы были гомозиготными, т.е.
идентичными по аллельному составу, то кроссинговер не создал бы новых вариантов, и
независимое расхождение хромосом в 1-м делении мейоза не дало бы новых комбинаций
аллелей и при оплодотворении воссоединение гамет не давало бы новых сочетаний генов.
Различия в генетическом материале появляются вследствие мутаций.
Мутационная теория зародилась в начале ХХ-века в работах Г. де Фриза (1901-1903).
Суть ее заключается в следующих положениях: 1) мутация возникает скачкообразно без
переходов; 2) новые формы (мутанты) константны; 3) мутация- качественное изменение; 4)
мутации разнонаправлены ( вредные, полезные); 5) выявляемость мутаций зависит от
величины выборки.
Мутации разделяют на спонтанные и индуцированные.
Спонтанно могут возникать все типы мутаций. Причины спонтанного мутагенеза – продукты
метаболизма аминокислот, сахаров, нуклеотидов, свободные радикалы как побочные
продукты метаболизма кислорода.
Индуцированный мутагенез можно рассматривать как ускоренный спонтанный мутагенез.
Мутации делят на соматические и генеративные. Соматические мутации в делящихся
клетках на ранних этапах развития ведут к мозаицизму. Летальные мутации ведут к гибели
организма.
51
Мутации могут произойти на уровне генома - геномные или числовые мутации, которые
происходят вследствие нерасхождения хромосом в митозе или мейозе вследствие
повреждения центромер или нитей веретена, механизма сегрегации хромосом. Если
изменение числа хромосом кратно гаплоидному набору хромосом, то получаются эуплоиды,
если некратны, то анэуплоиды. Числовые мутации оказывают фенотипический эффект на
организм и связаны с изменением числа хромосом в геноме, при этом их структура не
нарушается. Чаще всего встречается кратное увеличение числа хромосом в следствии
нарушения их расхождения в митозе или мейозе, иногда под действием внешних факторов (
высокие температуры, химические агенты и т.п.). Увеличение набора хромосом, кратное
гаплоидному набору (в 3-10 и более раз), называют полиплоидией. Наиболее часто этот тип
мутаций происходит у растений, встречается у некоторых простейших, дождевых червей и
некоторых других. Она может происходить у представителей одного вида
и при
межвидовых скрещиваниях. Очень многие хозяйственно ценные сорта культурных растений
представляют собой полиплоидов. Предполагают, что более четверти видов сосудистых
растений
возникли
таким
путем.
Вегетативное
размножение
делает
этот
способ
формообразования весьма эффективным. Полиплоиды часто имеют более крупные размеры
и повышенную устойчивость к неблагоприятным факторам. Если изменение числа хромосом
не кратно их гаплоидному набору, то такое изменение называется анеуплоидией. Такая
ситуация получается вследствие нерасхождения гомологичных хромосом или потере одной
из них. Поэтому в геноме могут присутствовать непарные хромосомы, лишние или могут
полностью отсутствовать оба гомолога. Анеуплоидия обычно приводит к гибели организмов.
У человека и животных она приводит к различным заболеваниям. Например, болезнь Дауна
связана с присутствием лишней хромосомы в 21 паре.
Следующий уровень мутирования наследственного материала клетки – это хромосомный.
Хромосомные мутации (структурные мутации, перестройки или аберрации хромосом) – это
разрывы хромосом и соединение их в необычном порядке. Разрывы происходят в основном в
части ДНК – связанной с ядерным матриксом – это 1% всего генома. Хромосомные мутации
вызывают перестройку структуры самих хромосом, не изменяя их количество и возникают в
основном за счет нарушения рекомбинации. Под влиянием мутагенов может происходить
удвоение, выпадение или поворот на 180° какого-либо участка хромосомы, перенесение
участка на другую негомологичную хромосому или их слияние. Они меняют взаимное
расположение генов в генотипе, что меняет функционирование отдельных генов и их
сочетаний. Это влияет на приспособленность организмов. Перестройки хромосом ведут к
затруднению конъюгации и правильного расхождения хромосом. Обычно это ведет к
52
нарушению генного баланса, снижению плодовитости и жизнестойкости. Далее может
приводить к нарушению скрещивания и изоляции потомков данной формы.
Результат многих перестроек – гибель клетки после митоза вследствие потери части
генетического материала. Если теряется хромосом или часть хромосомы с доминантным
аллелем, а рецессивный оставшийся аллель является летальным, то он проявляется в ходе
транскрипции и трансляции и клетка гибнет.
Генные мутации.
Изменения в структуре ДНК, приводящие к фенотипическим изменениям тех или иных
признаков еще раз доказывает, что ДНК носитель информации.
Основные типы точковых мутаций: а) замена оснований и
б) мутации со сдвигом рамки считывания.
Транзиции: Замены пурина на пурин A→G;
G→A;
Пиримидина на пиримидин С→ Т;
Т→С
Азотистая к-та + аденин (цитозин)= урацил
(C-G) C→U→ U-A (T-A)
Трансверсии – замена пурина на пиримидин или
пиримидина на пурин
A→T; A→C; G→C; G→T;
С→ A; Т→A; С→ G; Т→G
Мутации по типу замены оснований ведут к появлению миссенс мутаций ( с измененным
смыслом), которые ведут к изменению триплета и замены аминокислоты. Так как код
вырожденный, то иногда замены аминокислоты не происходит и кодируемый белок
сохраняет функцию ( нейтральные мутации), и нонсенс ( бессмысленных) мутаций, когда
замена оснований превращает кодон в нонсенс-кодон, останавливающий трансляцию, и если
такой нонсенс-кодон появляется не в конце, а в начале или середине гена, то такая нонсенсмутация полностью выключает ген.
Мутации часто концентрируются в «горячих» точках »(Hotspots). Частота мутаций в
«Горячих точках в 10-100 раз может превышать частоту мутаций в других сайтах.
Мобильные элементы перемещаясь приводят к инсерциям или делециям. Эти мутации не
зависят от воздействия мутагенов.
Мутации обусловленные экспансией тринуклеотидных повторов подразделяются н а две
группы: базирующиеся в интронах (CGG), начинаются после достижения определенного
порога 35-50 копий, после чего число копий начинает быстро расти достигая нескольких
тысяч. Вторая группа включает мутации с умеренной экспансией (CAG)-повторов,
53
кодирующих полиглутамин, в экзонах, что может привести к трансляции токсического белка
с последующей гибелью нейронов.
Мутации гена дикого типа, приводящие к изменению признака, т.е. к мутантному фенотипу,
называют прямыми. Мутации восстанавливающие дикий фенотип- обратные мутации или
реверсии. Ревертировать могут: 1) точковые мутации, когда восстанавливаются исходные
последовательности, 2) мутации по типу инсерции, в этом случае вырезается вставленный
участок,3) или происходит компенсаторная супрессорная мутация.
Супрессорные мутации делят на- а)внутригенные и б)внегенные.
а) замена мутантного кодона внутри гена, и как результат аминокислоты, что может
восстановитькаталитическую функцию фермента;
б) в случае внегенной супрессорной
мутации происходит изменение в структуре т-РНК, в результате т-РНК включает в
полипептидную цепь другую аминокислоту, не соответствующую мутантному кодону, что
восстанавливает функцию белка.
Причины мутирования
Мутации могут быть спонтанными и индуцированными различными мутагенами. Все типы
мутаций могут происходить спонтанно.
Предполагалось, что причина спонтанных мутаций – мутагены окружающей среды. Но
выяснилось, что Спонтанные мутации происходят также вследствие: ошибки репликации,
изменения в химических составляющих молекулы ДНК (кето и аминоформы пуринов и
пиримидинов приводят к образованию необычных пар:А-С, G-T, а далее приводят к
транзициям и трансверсиям. Гены – мутаторы увеличивают мутабильность в 100-1000 раз.
Аналоги оснований (бромурацил)- сильные мутагены. УФ, Ионизирующее излучение.
Интеркалирующие агенты (профлавин, акридин) и т.д.
Механизмы репарации ДНК
Как про так и эукариоты имеют системы репарации, восстанавливающие первоначальную
структуру ДНК, которая была нарушена вследствии мутаций.
Прямая коррекция в бактериальных геномах связана с экзонуклеазной активностью
ДНК-полимеразы, которая осуществляет синтез цепи 5′-3′, и при этом проверяет цепь 3′-5′.
Если в последней произойдет ошибка, то ДНК-полимераза не добавит нуклеотид к цепи 5′-3′,
процесс репликации останавливается до тех пор пока не будет удален «неправильный»
нуклеотид.
54
Фотореактивация была обнаружена в 1949 г.независимо Кельнером, Дюльбеко и Ковалевым,
в ходе которой облучение видимым светом позволяет фотолиазе расщеплять тиминовые
димеры.
Репарация алкилирующих повреждений заключается в удалении алкильных или метильных
групп нуклеотида.Сам нуклеотид не удаляется. ДНК-полинуклеотидлигаза воссоединяет
однонитевые концы ДНК вследствие разрывов ДНК.
Эксцизионная репарация была открыта в 1964 г. группами Р. Бойса, П. ГовардаФлендерса, Р. Сетлоу и Кэрриера и наблюдается у большинства изученных
организмов.Поврежденные азотистые основания (дезаминированные, окисленные)
репарируются
гликозилазами.
НИК-трансляция
–
это
активность
ДНК-
полимеразы-I, в ходе которой фермент удаляет нуклеотиды впереди растущей
цепи ДНК.
Пострепликативная или рекомбинационная репарация
(ППР) осуществляется
путем рекомбинационных обменов между двумя сестринскими молекулами ДНК,
и позволяет репарировать пробелы в дочерней цепи ДНК напротив димеров
пиримидина. ППР контролируется не менее, чем 17 генами.
SOS- репарация
устранили
включается в случае, если другие системы репарации не
повреждение.
ДНК-полимеразный
комплекс
и
специально
синтезируемые белки достраивают нить ДНК напротив дефектных звеньев.
2.1.6. Генетический контроль развития
Еще в 1950г. сформировалось представление о том, что генетический контроль
развития осуществляется веществами морфогенами. В каждой группе клеток
существует свой набор и концентрация морфогенов, т.е. информация о последующем
развитии. Информация эта накапливается еще при созревании ооцитов форме
различных РНК. Затем молекулы РНК распределяются в ооците, образуя определенные
градиенты концентрации. Это распределение контролируется другими генами. После
того, как такие градиенты созданы, начинается эмбриональное развитие, а градиенты
обуславливают в дальнейшем тот или иной путь развития клеток. Каким образом
обеспечивается контроль развития? Белки репрессоры или активаторы тех или иных
генов присоединяются к регуляторным частям других генов и осуществляют свою
функцию в зависимости от концентрации. До стадии бластодермы развитие у
дрозофилы обеспечивается матрицами яйцеклетки. После образования бластодермы
включаются зиготические гены и начинается формирование сегментального плана
строения. В бластодерме сегментация выявляется только по продуктам генов и носит
55
название парасегментации. Далее вступают в действие гомеозисные гены – класс генов
контролирующих развитие какой-то части тела из определенного сегмента. Различные
их наборы активируются специфическими соотношениями концентраций белков,
упоминавшихся выше. Продукты гомеозисных генов активируют другие гены, которые
определяют сегмент-специфичные особенности. Глаза в норме возникают только на
головном сегменте, а ноги – только на грудных сегментах.
Гомеозисные гены кодируют регуляторные белки, связывающиеся с ДНК. Каждый из них
содержит кластер нуклеотидов, называемый гомеобоксом, которые сходен во всех
гомеотических генах. Он содержит 180 нуклеотидов и кодирует 60 аминокислот,
функционирующих
как ДНК-связывающий домен. У дрозофилы имеется два основных
кластера гомеотических генов: комплекс Antennapedia (5 генов у дрозофилы) который
определяет развитие головы и передних торакальных сегментов, и комплекс Bithorax (3
гена) который контролирует развитие задних торакальных и брюшных сегментов. Порядок
расположения генов тот же, что и сегментов, в которых они экспрессируются. Впервые
мутации гомеозисных генов были идентифицированы в 1894 году, когда Уильям Бэтсон
заметил, что у растений иногда части цветка появляются на неправильных местах.
Гомеозисные гены как бы определяют адрес клетки в конкретном сегменте, сообщая
клеткам, в каком районе они находятся. Когда они мутируют, клетки получают "ложный
адрес" и ведут себя так, будто они находятся в другом месте эмбриона. Нарушения в работе
гомеозисных генов (вызванные мутациями или внешними воздействиями) нарушают
формирование структур тела и могут привести, например, к образованию глаз на лапках у
мухи, или к тому, что вместо антенн на голове у нее вырастут ноги. У человека найдены
мутации в гомеозисных генах, приводящие к недоразвитию зубов, например, и к другим,
более тяжелым нарушениям.
После того, как были открыты и изучены геомео-гены дрозофилы, сходные гены были
найдены у всех других животных от нематоды до человека.
У млекопитающих они
называются Hox генами (гомеобокс-содержащими генами) и также кодируют белки,
регулирующие транскрипции и определяющие структуры тела, и их положение в переднезаднем направлении. Таким образом, в эмбриональном развитии исходный градиент белков и
мРНК в яйцеклетке стимулирует локальную экспрессию генов эмбриона, которая ведет к
дальнейшей
дифференциации
генной
экспрессии
и
определяет
судьбу
клеток
развивающегося эмбриона. В дальнейшем происходит процесс морфогенеза, во время
которого формируются ткани, органы, морфологические особенности организма. Эти
процессы определяются переключением экспрессии групп генов.
56
В процессе эмбриогенеза осуществление записанной в генах программы развития
происходит в конкретных условиях среды. Однако в части случаев воздействие среды
(лечение) может скомпенсировать дефект и вернуть организм на нормальный путь развития.
Например, фенилкетонурия – наследственная болезнь, которую можно лечить. Суть болезни
заключается в том, что у больных отсутствует фермент фенилаланингидроксилаза,
превращающий аминокислоту фенилаланин в другую аминокислоту, тирозин. При
блокировании нормальных путей катаболизма фенилаланина его превращение идет другими
путями,
обычно
кетокислоту
играющими
фенилпируват
второстепенную
роль.
(фенилпировиноградная
Фенилаланин
кислота)
и
превращается
другие
в
продукты.
Избыточные количества фенилпирувата легко определить по анализу мочи, и такой анализ
проводится всем новорожденным в нашей стране. Одним из симптомов этой болезни
является развитие умственной отсталости, которое во взрослом состоянии уже необратимо.
Лечить болезнь можно в детстве специальной диетой, при которой в организме не из чего
будет вырабатывать пировиноградную кислоту. Частота заболевания около 1:10 000
новорожденных, и чем раньше начато лечение – тем лучше результаты. Именно поэтому
проводится тотальная диагностика новорожденных. Интересно то, что если ребенок
перестает придерживаться лечебной диеты, то болезнь опять станет прогрессировать.
Поэтому диету надо соблюдать до остановки физиологического роста, примерно до 20 лет,
когда токсичное воздействие будет менее опасным. Больные фенилкетонурией при
беременности обязательно должны соблюдать диету, так как иначе плод будет отравлен из-за
нарушения обмена веществ у матери.
Таким образом, при лечении, то есть полезном воздействии внешней среды, можно вернуть
развитие организма в нормальное русло. Но действие окружающей среды может быть и
вредным, то есть у организма под действием внешней среды возникают отклонения развития
при совершенно нормальных генах. Для примера рассмотрим один случай. В 60-х годах в
Германии было сильно разрекламировано новое снотворное под названием
талидомид.
Среди женщин, принимавших новое лекарство, были беременные женщины. Спустя
некоторое время было замечено, что в стране стало рождаться много детей с патологией
конечностей. У них отсутствовали длинные кости конечностей, то есть прямо от основаия
тела начинались кисти или ступни.
Раньше такое заболевание встречалась один раз на несколько тысяч новорожденных, и вдруг
такой всплеск. Начали проводиться исследования, и выяснилось, что причина в новом
лекарстве. Как оказалось, талидомид имеет большое сродство к гуанину. Взаимодействуя с
ДНК, он может приводить к функциональным нарушениям. Промотор гена, отвечающего за
рост и развитие длинных конечностей, содержит большое количество гуанина, таким
57
образом, талидомид нарушает работу этих генов, и зачатки костей длинных конечностей так
и не начинают развиваться. Многие из этих детей не выжили, часть из тех, кто выжил, ведут
жизнь инвалидов, но есть среди них люди, которые, несмотря на инвалидность, реализовали
свои возможности.
После талидомидной трагедии все новые лекарства проверяют на тератогенную
(вызывающую нарушения развития плода) активность, и для каждого препарата указано,
можно ли его принимать беременным. Однако следует учитывать, что во время
беременности, особенно на ранних этапах, женщина не должна принимать лекарства, не
посоветовавшись с врачом, из-за возможных вредных воздействий на плод.
В настоящее время уровень тяжелых врожденных уродств составляет 1-2%, из них около
трети по генетическим причинам, около трети – из-за воздействий среды, и для трети
причина
неизвестна.
Подбирая
условия
среды,
соответствующие
индивидуальным
особенностям организма, можно скомпенсировать часть врожденных дефектов.
Таким образом, развитие – это процесс последовательного включения генных систем,
осуществляемое последовательным включением и выключением генов.
Клонирование – это точное воспроизведение того или иного живого объукта в
определенном количестве копий. Все копии должны обладать идентичной наследственной
информацией, т.е. нести идентичный набор генов. Для генетиков растаний получение клонов
не составляет никаких проблем. Генетики также без труда получают клоны, когда объекты
размножаются путем партеногенеза, т.е. путем бесполого размножения. Получаучают клоны
и искусственным путем, например разделяют зародыши морского ежа на отдельные
бластомеры. Из каждого развивается полноценный организм. Схожий механизм определяет
появление однояйцевых близнецов у людей. В настоящее время многих интересует
получение клонов от вполне определенного организма в нужном количестве копий.
История клонирования начинается в далекие 40-е годы, когда российский эмбриолог Георгий
Викторович Лопашов разработал метод пересадки ядер в яйцеклетку лягушки. В июне он
отправил в Журнал общей биологии статью, но в августе 1948г. прошла сессия ВАСХНИЛ, и
статью не напечатали. В 50-е годы американские эмбриологи Бриггс и Кинг выполнили
сходные опыты и приоритет достался им. В дальнейшем Джон Гердон усовершенствовал
методику и стал удалять из яйцеклетки лягушки собственное ядро и пересаживать в нее ядра
других клеток (эпителия). 1-2% особей проходили метаморфоз и превращались во взрослую
лягушку.
В феврале 1997 в лаб. Яна Вильмута в Рослинском институте (Эдинбург, Шотландия)
разработали эффективный метод клонирования млекопитающих и на основе его
58
использования получили овечку Долли. Из овец породы Шотландская черная выделили
ооциты и поместили в питательную среду, в которой они находились. Из ооцитов извлекли
ядра. У овцы породы Финский дорсет из клеток молочной железы были выделены
диплоидные ядра и помещены в энуклеированные яйцеклетки. Последние затем
активировали
электрическим
ударом.
Развивающийся
зародыш
культивировали
в
искусственной среде, а затем на стадии морулы трансплантировали в матку приемной
матери. Из 236 опытов успех сопутствовал только одному, в результате которого и родилась
овечка Долли. Возможно, что Вильмут допустил просчет. Овца, у которой брали
соматические клетки была беременна, и фетальные клетки (клетки зародыша) могли попасть
в кровоток.
Группа ученых из Гонолулу во главе с Риузо Янагимачи провели эксперимент, в
котором для извлечения ядра изобрели микропипетку, с помощью которой можно было бы
безболезненно извлекать ядро из соматической клетки и помещать в яйцеклетку. Авторы
использовали ядра клеток окружающих ооцит (cumulus oophorus), ядра клеток Сертоли из
семенников и клеток, выделенных из мозга. Ядра соматических клеток извлекали при
помощи микропипетки и помещали в энуклеированню яйцеклетку. Яйцо активировали
раствором стронция, культивировали до стадии2-8 клеток, морулы или бластулы и помещали
в матку, где некоторые из них продолжали развитие (15-16%). Процент выхода
новорожденных клонированных мышат был низок – около 2%.
Необратимые изменения при клеточной дифференцировке. Теломеры укорачиваются (в
зародышевых
клетках
теломераза
достраивает
утраченные
теломеры).
Происходит
селективное умножение или недостача участков ДНК свойственных тем или иным тканям.
Велика вероятность рождения уродов при выходе даже 1% нормальных клонов.
Иммуногенетика
Иммуногенетика изучает специфические особенности групп крови животных и
разрабатывает методы их использования в качестве генетических маркеров в селекции.
Биологическая сущность иммуногенетики заключается в том, что организм животных
состоит в основном из огромного количества белковых тел, причем белки разных особей
резко отличаются по составу. При попадании чужеродного белка в организм возникает
иммунологическая реакция, результатом которой является образование защитных веществ —
антител. Вещество, вызывающее появление антител, называют антигеном. Начало
иммуногенетики животных связывают с работами по исследованию крови коз (1900 г). Затем
и у других домашних животных были обнаружены антигенные факторы и естественные
антитела. Еще больший интерес вызвали так называемые иммунные антитела, которые
59
образуются в сыворотке крови при попадании в нее эритроцитов других животных, причем к
тем антигенным факторам эритроцитов, которых нет в собственных клетках. В эритроцитах
животных открыто существование большого количества антигенных (кровяных) факторов:
свиней — 40, овец — 44, кур — 66, крупного рогатого скота — 103.
Это белковые соединения, которые строго наследуются, часть из них — независимо друг от
друга, другие же — по типу множественного действия. По этому признаку кровяные
факторы распределяются по системам групп крови, которые не изменяются в течение жизни,
т.е.
генетически
детерминированы.
Наследование
каждой
системы
групп
крови
детерминируется генами. У овец и лошадей — 8 систем групп крови, у крупного рогатого
скота — 12, у кур — 14, свиней — 15. Каждая система содержит от двух до десятков
кровяных факторов. Например, у крупного рогатого скота в системе В 55 антигенных
факторов, которые комбинируются в более 300 сочетаний (феногруппы); кровяные факторы
В, G, К этой системы встречаются либо как только В, только G, BG, BGK. Аллель группы
крови BGK системы В обозначается так: Ввок. В практике антигенные факторы эритроцитов
выявляют с помощью специальных антисывороток, избирательных к отдельным антигенам.
Взаимодействие кровяных факторов и антител на поверхности эритроцитов выявляется
специальными иммунологическими реакциями (для крупного рогатого скота — гемолиза,
для свиней и кур — агглютинации).
Открытия в области иммуногенетики и биохимической генетики полимерных белковых
систем дают в руки животноводов широкий набор качественных признаков, которые с
успехом используются в селекции животных. Определение групп крови нашло практическое
применение для контроля истинности происхождения животных. Изучение аллелей
эритроцитарных антигенов и белковых полиморфных систем позволяет выбрать из
потомства родоначальника особей с большей или меньшей гомозиготностью, с большей или
меньшей степенью генетического сходства с ним. Представляется возможность судить о
сходстве сравниваемых стад, линий, типов животных, о степени их генетической
однородности. Иммунологический анализ позволяет также выяснить степень расхождения
пород и популяций, которые имели в прошлом общие корни и общую генетическую основу,
но в последующем разводились изолированно друг от друга. Для того, чтобы
иммуногенетика могла быть реально использована в практической селекции как средство
объективного контроля изменений наследственности в группах животных, нужно, чтобы они
были тестированы хотя бы в двух, а желательно в трех поколениях в племенных стадах и в
стадах, используемых для оценки по потомству.
Чем энергичнее и шире будет развернута эта работа, тем скорее селекция животных будет
превращаться в точную науку, опирающуюся на объективные биологические показатели. В
60
настоящее время одна из наиболее приложимых сфер иммуногенетики в животноводстве —
контроль за родословными племенных особей, уточнение в спорных случаях их
происхождения. На каждое животное составляется иммуно-генетический паспорт, в котором
группы крови выступают генетическими маркерами. Иммуногенетические маркеры могут
характеризовать генетические особенности животных. На оболочке эритроцитов находятся
антигены групп крови. При введении в организм чужеродных эритроцитов в сыворотке
крови под воздействием антигена образуются антитела. Влияние антигенных факторов у
родителей и их потомков проверяется с помощью стандартных моновалентных сывороток
(реагентов) путем постановки реакции гемолиза на эритроцитах. Гемолиз — это процесс
растворения эритроцитов под воздействием антител в присутствии комплемента (сыворотки
крови кролика), что подтверждает присутствие антигена, выявляемого специфической
сывороткой — реагентом. Каждый антиген характеризуется строгой специфичностью: он
способен вступить в иммуногенетическое взаимодействие только с тем антителом,
образованию которого способствовал. Если гемолиз не наступил, то это значит, что в
эритроцитах данного животного нет того антигена, на который была рассчитана
специфическая сыворотка. Комбинации антигенных факторов потомков состоят из части
антигенов матери и части антигенов отца. Эти особенности у крупного рогатого скота
позволяют достоверно выявлять происхождение каждого животного. Для установления
генотипа определяют, какие сочетания антигенных факторов были переданы потомку
матерью и какие отцом. Генотип групп крови в окончательном виде будет представлять две
аллели в каждой из систем. Группами крови принято называть наследственно обусловленные
группы, которые наследуются неразрывно. Преимущество групп крови, как генетических
маркеров, еще и в том, что данные, полученные при жизни животного, могут использоваться
для решения вопроса о происхождении потомства и после смерти родителя.
Иммуногенетические методы применяют для проверки достоверности происхождения
животных на основе сопоставления группы крови потомка и его родителей по установленной
генетической
системе.
Но
для
этого
необходимо
располагать
банком
из
4050
моноспецифических сывороток. Особенно это актуально при разведении крупного рогатого
скота, где достоверность отцовства бывает ошибочной в 18-37 % случаев. Дело в том, что
продолжительность стельности у коров составляет 266294 дней, но где-то 30-40% из них
приходят в повторную охоту через разные сроки после осеменения. И если в спариваниях
участвуют два быка — ошибки неизбежны. Мы перечислили сферы применения
иммуногенетических методов, но они очень трудоемки и нуждаются в постоянном
совершенствовании.
61
2.1.6. Популяционная генетика. Генетика человека. Гены и болезни.
С развитием генетики для объяснения природы наследственной изменчивости стали
использовать процессы, происходящие в популяциях живых организмов. Популяции
постоянно изменяются во времени и в пространстве. Именно эти изменения и представляют
собой элементарные эволюционные процессы. Популяция была определена
как
элементарная эволюционная структура. Однако не любое изменение генетического состава
можно считать эволюционным событием, то есть событием, направленным на повышение
приспособленности особей. Популяция, чтобы быть элементарной эволюционной единицей,
должна удовлетворять следующим условиям:
1)она должна реально и конкретно существовать в природных условиях,
2)она должна быть далее неразделима, т.е. выступать во времени и пространстве как некое
единство;
3)она должна быть способна к наследственным изменениям в череде поколений
индивидуумов ее составляющих.
Структура генофонда популяции постоянно преобразуется в процессе скрещивания и
возникновения новых комбинаций генов и в результате постоянно идущего мутационного
процесса. Эти изменения так или иначе отражаются на фенотипических признаках.
Возникает вопрос, может ли вновь возникшая мутация (новый аллель) распространиться в
популяции только за счет обмена генами при скрещивании? Как изменяются частоты генов и
генотипов в популяции при свободном скрещивании (т.е. когда вероятность скрещивания
между разными генотипами одинакова)? На этот вопрос отвечает закон Харди–Вайнберга.
Согласно открытой ими закономерности в свободно скрещивающейся бесконечно большой
популяции частоты аллелей не меняются и остаются постоянными в поколениях. Частота
гомозиготных и гетерозиготных генотипов также не меняется, а находится в состоянии
равновесия. При этом в популяции не должно быть отбора, новых мутаций и поступления
генетического материала извне (миграции особей). То есть сам по себе процесс скрещивания
не меняет концентрации тех или иных генов и генотипов. В основе сохранения равновесия
лежит равновероятное расхождение гомологичных хромосом в мейозе и равновероятное
слияние гамет при оплодотворении. Благодаря этому поддерживается генетическая
стабильность популяций.
Что происходит в популяции с частотами аллелей и генотипов, если хотя бы одно из
условий закона Харди–Вайнберга нарушается? Понятно, что если происходит повторное
мутирование, то концентрация данного аллеля увеличивается. Изменяется его частота и в
случае
изменения численности популяции за счет прихода мигрантов из соседних
популяций или эмиграции. При нарушении свободного скрещивания будут изменяться
62
частоты гомо- и гетерозигот. При
слишком
маленькой численности популяций резко
увеличивается вероятность утраты или напротив, фиксации (т.е.е полного распространения
нового аллеля. Действительно, если в популяции из 10 оленей один из них несет ценную
мутацию, вероятность того, что он сломает ногу и погибнет равна 0,1, т.е. довольно высока.
Если такой олень находится в популяции в 100 особей, то вероятность именно его гибели
уменьшается на порядок (становится 0,01). Чем меньше популяции, тем выше вероятность
потери аллеля или его быстрого распространения между всеми членами популяции
независимо от его реальной адаптивной ценности, просто в силу статистических
закономерностей. Этот процесс называется дрейфом генов. Выпадение или невыпадение
аллеля в этом случае носит чисто случайный характер и не связано с его адаптивными
свойствами. С дрейфом генов связывают возможность закрепления новых генов и генотипов
в маленьких изолированных популяциях (эффект основателя) и при временном падении
численности (эффект бутылочного горлышка).
Популяционные волны. В природных условиях постоянно происходят периодические
колебания численности популяций организмов. Их называют популяционными волнами, или
волнами жизни. Термин был предложен С.С. Четвериковым. Численность популяций
претерпевает значительные изменения, связанные с сезонным характером развития многих
видов и условиями их обитания (см. раздел Динамика численности популяций). Она также
может сильно изменяться в разные годы. Известны случаи массового размножения
популяций отдельных видов, например леммингов, саранчи, болезнетворных бактерий и
грибов (эпидемии) и т.п. Нередки случаи резкого, иногда катастрофического сокращения
численности популяций, связанные с нашествием болезней, вредителей, природными
явлениями (пожары, наводнения, извержения вулканов, засухи и т.п.).
Во время спадов численности популяции становятся малочисленными и создаются
условия для проявления эффекта «дрейфа генов» - случайного закрепления имеющихся
аллелей. В маленьких популяциях значительно повышается частот близкородственных
скрещиваний, и как следствие – увеличивается вероятность перехода отдельных мутаций и
рецессивных аллельных генов в гомозиготное состояние. Генетический состав изменяется,
размножаться будут немногие оставшиеся после депрессии особи. Они дадут основной
вклад в генофонд популяции при новом подъеме численности. Структура генофонда будет
уже иной, чем при предыдущей максимальной численности. Этот эффект носит название
«эффекта бутылочного горлышка» - изменение генетической структуры популяции при
прохождении ее через депрессию численности.
63
Генетика человека
Исследования показали, что в геноме человека содержится 20-30 тыс. белоккодирующих генов. Сотни генов человека появились в результате горизонтального
переноса от бактерий в ходе эволюции позвоночных. Десятки генов происходят из
транспозоновых элементов.
Законы генетики едины для всех эукариот от кишечной палочки до человека, но
исследование
генетики
человека
гибридологическии
методами
для
установления
закономерностей наследования признаков невозможно по этическим причинам.
Поэтому для изучения характера наследования признаков у человека используют метод
анализа родословных или генеалогический метод. Это один из старейших методов
возникший задолго до появления генетики как научного направления в биологии.
Этот метод устанавливает доминантность или рецессивность наследуемого признака.
Генеалогический метод является основой для медико-генетических консультаций.
Для анализа родословных применют стандартные методики. Индивидуум, с которого
начинается исследование называется пробандом, родные братья и сестры- сибсы.
После составления родословной начинается анализ, цель которого дать заключение о
наследственной обусловленности признака. Главное на что опирается генетик – это
повторное появление признака, при этом необходимо исключить возможность появления
среди потомства индивидуумов со сходной фенокопией, т.е. ненаследственным проявлением
признака.
Картирование хромосом
Использование генеалогического метода вместе с цитогенетическими данными позволяет
провести картирование хромосом человека. Картирование генов основано на составлении
групп сцепления и анализе проявляемых мутаций у человека. Чем меньше число хромосом и
чем больше известно мутаций, тем легче проводить картирование хромосом. У человека
гаплоидное число хромосом, не считая половых 22, что довольно много и затрудняет
картирование хромосом.
Более перспективным для картирования хромосом оказался метод генетики соматических
клеток. Идея его состоит в получении гибридных клеток, которые содержат набор хромосом
из клеток разных видов, например, человека и мыши. Один из наборов такой гибридной
клетки реплицируется быстрее другого и постепенно хромосомы более «медленного» набора
теряются в последующих циклах репликации. Если с потерей хромосомы исчезает и какойлибо белок-маркер из клетки, то делают вывод, что ген исчезнувшего белка-маркера
находился в потерянной хромосоме.
64
В 1998 году американскими генетиками был открыт механизм подавления транскрипции с
иРНК путем воздействия двухцепочечными РНК. Этот метод может позволить в будущем
избирательно включать и выключать отдельные гены и наблюдать за прекращением синтеза
соответствующего белка, что позволит точно идентифицировать изучаемый ген.
Близнецовый метод позволяет выяснить какую роль при формировании признака играет
среда, а какую генотип. Близнецы могут быть однояйцевыми или разнояйцевыми.
Одояйцевые образуются из одной зиготы. Когда на стадии 2 бластомеров или 4 из каждого
бластомера развивается отдельный организм. Эти близнецы имеют совершенно одинаковый
генотип и практически одинаковый фенотип, если они розвиваются в сходных условиях,
если же условия резко различаются, то исследователи имеют возможность оценить степень
влияния внешней среды на формирование тех или иных признаков. При этом учитывают
конкордантность (схожесть) или дисконкордантность признаков. Разнояйцевые близнецы
происходят из разных зигот и отличаются не менее, чем обычные братья и сестры. При
сравнении однояйцевых и разнояйцевых близнецов воспитанных в одинаковой среде можно
сделать вывод о роли генов в развитии признаков.
Таблица. Конкордантность проявления признаков у однояйцевых и разнояйцевых близнецов
в%
Тип близнецов
шизофр
Умственная эпилепсия Косоглазость. Сахарный
Преступ
отсталость
диабет
ность
Однояйцевые
69
97
67
32
65
68
Разнояйцевые
10
37
30
3
18
28
Популяционная генетика человека
Закономерности развития популяций человека
Популяцией в человеческом сообществе называют группу людей, которые занимают общую
территорию и свободно вступающих в брак. Популяции людей обладают определенными
генофондами.Популяция из 1500-4000 человек называется дем. Популяция менее 1500изолят. Для демов и изолятов характерен низкий естественный прирост населения обычно не
более 20-25%. Частота внутригрупповых браков 80-90%.
Изоляционные барьеры между популяциями людей обычно носят социальный характер:
различия в вероисповедании, национальность, сословные различия и.т.д.
65
Демографические показатели популяций людей (размер, уровень рождаемости и смертности,
возрастной состав, экономическое состояние, уклад жизни) оказывают сильное воздействие
на генофонд популяции.
В больших популяциях распределение аллелей отдельных генов в генотипах индивидуумов
подчиняется закону Харди-Вайнберга. Обозначим частоту встречаемости в популяции
доминантного аллеля гена(F) отвечающего за обмен фенилаланина - p, а частоту
рецессивного аллеля (f)– q. Тогда частота встречаемости доминантного аллеля F в
гомозиготном состоянии- p², а рецессивного f в гомозиготном состоянии- q². Встречаемость
же гетерозигот будет наблюдаться с частотой 2pq. Тогда распределение частот
встречаемости аллелей в популяции описывается (p+q)²=p²+2pq+q².
Например: особи обладающие рецессивными аллелями ff страдают фенилкетонурией.
Если частота встречаемости фенилкетонурией равна 40000, тогда q²=1/40000, а
q=1/200. Остальные члены популяции обладающие генотипом FF, Ff будут здоровыми.
Мутационный процесс (м.п.)
М.п. характеризуется средней частотой мутирования на локус или геном за поколение,
генетико-физиологическим характеристикам мутаций, наличию антимутационных барьеров.
До 20 века м.п. был исключительно спонтанным и определялся у.ф., темп., окр среда. По
данным Ивенса на 1984г. 10% болезней человека определяются патологическими генами или
генами, обуславливающими предрасположенность к наследственным заболеваниям. Около
1% новорожденных заболевают в результате генных мутаций, из которых часть вновь
возникших. Частота мутирования разных генов неодинакова.
Обычная частота мутирования генов 1Х 10-5 - 1Х 10-7 на гамету на поколение, но
Учитывая большое количество пар нуклеотидов: 3.2млрд. пар на гаплоидный набор, каждый
индивид наследует 2-3 новых мутации, которые в рецессивном состоянии могут давать
летальный эффект.
Известно, что одна из 10 гамет человека является носителем хромосомной мутации.
Вследствие этого 1 из 150 новорожденных
несет структурную или числовую мутацию
хромосом (анэуплоидия или полиплоидия). 50% ранних выкидышей обусловлено этими
мутациями. Приведенные расчеты не включают данные по перестройкам генома,
обусловленные Alu-повторами, которые, окружая части генов (экзоны), способны
перемещаться по геному вместе с ними, обуславливая в ряде случаев выключение этих
генов, или внося те или иные нарушения в работу этих генов. Вероятность подобных
событий увеличивается с возрастом.
66
В настоящее время
кроме спонтанных мутаций добавились индуцированные мутации,
возникающие в результате действий человека. Источниками индуцирующего мутагенеза
является ионизирующее излучение, химические вещества, гормональные воздействия
вследствие стрессов. Так доза в 1 Гр, получаемая при низком уровне радиации, индуцирует
от 1000 до 2000 мутаций на каждый 1млн человек.
Работы по радиационной генетике человека позволили сделать важный вывод:
Не существует пороговой дозы ионизирующего излучения. Иными словами любые дозы
радиации индуцируют мутации, а при увеличении дозы растет число мутаций.
По характеру радиочувствительности люди различаются, как и по другим признакам.
Существуют генетически обусловленные дефекты репарации, например, у больных
синдромом атаксии-телеангиэктазии радиочувствительность хромосом увеличена в 5-10 раз.
В известном каталоге генов и наследственных болезней человека- Mendelian Inheritance in
Man, содержится информация о 1100 мутациях, которые проявляются в отчетливых
фенотипах примерно 1500 наследственных заболеваний.
Популяционные волны
Численность людей на планете: эпоха неолита 6-10 тыс.лет назад – 5 млн.чел.;
Век железа(4 тыс. лет назад)- 20-40млн.чел.; начало новой эры- 200млн.чел.;
1600г. –500 млн.чел.; 1800г.- 1 млрд; сейчас более 6 млрд. Вместе с тем возрастает плотность
населения. На фоне общего роста народонаселения имеют место снижения численности
популяции. Причины: войны, эпидемии, катастрофы.
Изоляция и генетико-автоматические процессы
Фактор
изоляции
оказывал
влияние
на
генофонды
популяции
людей.
Причины
географической изоляции, соц. причины ограничивали брачные связи масштабами района,
племени. Высокая степень репродуктивной изоляции создавала благоприятные условия для
дрейфа генов. Генетико-автоматические процессы, или дрейф генов, приводят к
сглаживанию изменчивости внутри популяции и появлению случайных, не связанных с
отбором отличий между изолятами. В некоторых кишлаках Памира число резусотрицательных индивидуумов составляет 3-5% популяции, а в других 15%, как в
европейской популяции. Важную роль при дрейфе генов играет эффект родоначальника.
В случае брачной изоляции возрастает частота редких аллелей, и утрачиваются другие.
Следствием дрейфа генов и изоляции являются некоторые наследственные заболевания.
Генетико-автоматические процессы и изоляция приводят к гомозиготизации признаков, при
этом
часто
с
неблагоприятными
последствиями.
Накапливается
так
называемый
67
генетический груз. Генетический груз- это часть наследственной изменчивости популяции,
которая
определяет
появление
менее
приспособленных
особей,
подвергающихся
избирательной гибели в процессе естественного отбора. Генетический груз проявляется не
только при гомозиготном состоянии аллелей приводящих к гибели организма, но и при
гетерозиготном состоянии подобных аллелей, которые снижают выживаемость потомства.
Поэтому около 15% зачатых организмов гибнет до рождения, 3% - при рождении, 2-после
рождения, 3- умирает не достигнув половой зрелости, 20% не вступают в брак, 10% браков
бездетны. Неблагоприятные последствия генетического груза проявляются в снижении ряда
важных показателей состояния индивидуума, в частности его умственных способностей.
Генетическое разнообразие в популяциях людей
Человеческие популяции обладают высоким уровнем наследственного разнообразия, что
проявляется в цвете кожи, волос, форме частей тела и головы, известно более 130 форм
гемоглобина, более 70 форм фермента глюкозо 6-фосфатдегидрогеназы, и т.д. В целом не
менее 30% генов контролирующих у человека синтез белков имеют несколько аллельных
форм. Частота встречаемости разных аллелей одного гена варьирует. К межпопуляционным
различиям в концентрации разных аллелей приводит стабилизирующая форма естественного
отбора.
В основе стойкого сохранения в популяции людей нескольких аллелей одного гена лежит
как правило, отбор в пользу гетерозигот, который ведет к состоянию сбалансированного
полиморфизма.
Наследственный
полиморфизм
способствовал
расселению
людей,
обуславливая достаточно высокий уровень жизнеспособности в разных экологических
условиях.
Гены и болезни
К настоящему времени из 20000 генов локализованных в геноме человека 15000
картированы на хромосомах, а у 2000 генов известна точная молекулярная структура. Мы
уже говорили о существовании «генетического груза» популяций человека. Это понятие
было введено лауреатом Нобелевской премии Г. Меллером. Однако до сих пор нет
методологии точного определения объема генетического груза. Груз, тем не менее,
существует как реальность. В мире свыше 5 млн детей рождается с тяжелыми дефектами
развития, но надо иметь в виду, что некоторые аномалии впервые проявляются в среднем,
зрелом и даже пожилом возрасте, среди лиц до 21 года у 10,6% выявляются врожденные
дефекты. Классификация болезней с генетической точки зрения становится все более
объективной по мере успехов молекулярной генетики и цитогенетики в обнаружении
68
дефектных генов, вызывающих болезнь. Это касается как моногенных (менделирующих)
заболеваний, так и многофакторных заболеваний (МФЗ). Однако до сих пор определена
лишь небольшая часть генов, которые ответственны за такие заболевания. Известно более
3000 наследственных болезней.
Согласно генетической классификации, все болезни делятся на группы:
1) хромосомные, 2) генные, 3) болезни с наследственным предрасположением.
К хромосомным относят болезни, связанные с изменением числа или структуры хромосом.
Как
правило, они являются следствием мутаций, произошедших в половых клетках
родителей. По наследству передается лишь небольшая часть подобных мутаций.
Приблизительно 25% хромосомных синдромов обусловлено аутосомными трисомиями, 35%нарушениями, затрагивающими половые хромосомы, и 40% - структурными перестройками
хромосом. Общая частота хромосомных синдромов в популяциях – 1%. На долю
хромосомных аномалий приходится 50% спонтанных абортов и 5-7% мертворождений, а в
структуре общей смертности детей до 5 лет на их долю приходится 3-4%.
Если хромосомные мутации происходят в клетке эмбриона, то хромосомные нарушения
наблюдаются только в той части клеток, которые происходят из мутантной эмбриональной
клетки. В этом случае говорят о мозаицизме. 95% от всех хромосомных заболеваний
составляют числовые мутации, из них 75% - болезнь Дауна. Оставшиеся 5% приходится на
структурные мутации хромосом. Хромосомные заболевания, связанные с изменением числа
хромосом, могут быть связаны как с нарушением числа аутосом, так и с изменением числа
половых хромосом (Х и Y). Иногда наблюдается полиплоидия. Причиной полиплоидии
становится нарушение деления клеток. Очень часто полиплоидия становится причиной
спонтанных абортов. Случаи рождения детей с полиплоидией крайне редки. При этом
тетраплоидия, 92 хромосомы, встречается втрое реже, чем триплоидия (69 хромосом). У
родившихся детей основными пороками развития являются расщелина губы и неба, низко
расположенные ушные раковины, сращение соседних пальцев кисти или стопы, аномалии в
развитии всех внутренних органов; продолжительность их жизни не превышает несколько
дней. Больные синдромом Дауна отстают в умственном развитии – от идиотии до легких
степеней умственной отсталости. Дети с болезнью Дауна, как правило, очень ласковые и
очень привязываются к своим близким.
Структурные перестройки хромосом представлены инверсиями, делециями, дупликациями,
транслокациями,
кольцевыми
хромосомами.
Клинически
и
цитогенетически
идентифицировано более 100 синдромов.
Например, при делеции короткого плеча 5-й хромосомы возникает синдром
«кошачьего крика», частота его среди новорожденных составляет 1:40000-1:50000.
69
Вследствие этой хромосомной мутации происходит изменение строения гортани, также
отмечается микроцефалия, мышечная гипотония, пороки сердца, патология костной
системы, умственная отсталость и др.
Аномалии половых хромосом в основном представлены полисомией по половым
хромосомам X или Y, а также моносомией по Х хромосоме. Синдром Шершевского-Тернера
(моносомия по Х хромосоме) встречается только у девочек. Часто моносомия по Ххромосоме приводит к спонтанным абортам. У родившихся детей наблюдается крыловидная
складка на шее, пороки сердца, аномалии в строении почек, низкий уровень интеллекта.
Полисомия по Х-хромосоме у женщин приводит к слабому развитию половых признаков,
больные имеют грубые черты лица, у них отмечается умственная отсталость. Полисомия по
Х-хромосоме у мужчин известна как синдром Кляйнфельтера. У больных наблюдается
высокий рост, слабый рост волос на лице, склонность к ожирению, страдают бесплодием. В
случае полисомии по Y-хромосоме мужчины отличаются высоким ростом, длинными
руками, агрессивным характером, несколько сниженным уровнем интеллекта. По образному
определению «тюремная баскетбольная команда».
II. В основе моногенных болезней лежат мутации отдельных генов. Общая схема
развития генных болезней включает
в себя последовательность этапов: 1) мутация в
определенном аллеле, 2) измененный белок, 3) измененные биохимические процессы в
организме, которые проявляются на молекулярном, клеточном или органном уровне. В
настоящее время известно более 1 тыс таких заболеваний. Ими страдает около 5%
новорожденных. В каждом гене может возникать множество мутаций. В настоящее время
лишь для 10% генных заболеваний установлен первичный дефект. Это всем известная
гемофилия, нарушение свертываемости крови. Разные формы наследственной глухоты. При
мутации генов, контролирующих структуру белка коллагена, развиваются тяжелые
поражения соединительной ткани; при мутации генов глобина развивается малокровие.
Фенилкетонурия развивается вследствие отсутствия фермента фенилаланингидроксилазы, в
результате фенилаланин не может превратиться в тирозин. Повышенная концентрация
фенилаланина патологически воздействует на мозг, что приводит к развитию олигофрении
(слабоумия). Болезнь развивается только в случае гомозиготности больного по данному
признаку, так как он рецессивен. Частота аллеля фенилкетонурии 1 на 100 индивидуумов,
частота заболевания 1 на 10-17 тыс. Поскольку эта патология встречается часто, то всех
новорожденных тестируют на фенилкетонурию. Вовремя назначенная диета может
предотвратить болезнь или значительно облегчить ее течение.
70
Подавляющее большинство моногенных заболеваний из-за эффекта плейотропности связано
с множественными нарушениями разных систем организма. Например, больные с
нейрофиброматозом являются пациентами и дерматолога, и невролога и нейрохирурга.
Во многих случаях врожденные дефекты человека обязаны проявлением комплекса мутаций
генов.
Это
мультифакториальные(многофакторные
заболевания(сахарный
диабет,
гипертоническая болезнь, коронарная болезнь, бронхиальная астма, шизофрения и др.). Они
являются результатом взаимодействия ряда генов и многих факторов среды. Различные
формы сахарного диабета могут сопровождаться слепотой, глухотой и.т.д.
Предполагается, что небольшое количество главных генов определяют появление болезни,
остальные гены образуют фон, модифицирующих проявление главных генов. Так игра
«природы и судьбы» определяет проявление генетических заболеваний. В результате
получается не очень обнадеживающие прогнозы для популяции человечества. Ю.П. Алтухов,
обобщая мировые данные за последние 30 лет, заключает, что в европейском населении 15%
человеческих эмбрионов погибают на ранних стадиях развития (спонтанные аборты), 3%мертворожденные, 2%- неонатальная смертность, 3% - смертность до наступления
репродуктивного периода, 20% лиц не вступают в брак, 10% браков бесплодны, то есть не
менее 50% первичного генофонда не воспроизводится в следующем поколения.
Генетическая компонента для этих явлений различна, но в среднем составляет не менее 2030%.
В программе геном человека сформулирована такая задача - структурнофункциональный анализ генома. Этот раздел особенно важен для клинической медицины.
Для исследования наследственного заболевания важно знать локализацию гена и
последовательность нуклеотидов этого гена. Для определения положения гена используют
методы генетического и физического картирования. Генетическое картирование –
определение положения генов в хромосоме на основе анализа их сцепления и рекомбинации
при изучении родословных. Маркеры, используемые в исследовании должны быть
полиморфными, т.е. должны существовать альтернативные формы признака, которые
изучают у членов семьи. Карты генетического сцепления строят, наблюдая за тем, как два
маркера наследуются вместе. Два маркера, расположенные на одной хромосоме,
наследуются совместно, но во время мейоза возможно их разделение в результате
рекомбинации. Частота рекомбинации определяет генетическое расстояние между двумя
генами на генетической карте. Если частота рекомбинаций равна 1%, то говорят, что два гена
находятся на расстоянии одного сМ (сантиморганида) в честь Томаса Моргана. 1сМ
примерно равен 1 млн пар оснований = 1Мб( мегабаз). Уровень разрешения обычно
составляет 10Мб.
71
Физическое картирование – определение положения фрагментов ДНК в хромосоме с
помощью методов молекулярной и клеточной биологии. Последняя стадия физического
картирования – это определение всех пар оснований на каждой хромосоме, то есть полной
нуклеотидной последовательности ДНК. В результате таких исследований получают генную
карту.
Информация о локализации гена позволяет осуществлять ДНК-диагностику
наследственных болезней. Суть, которой в следующем: ДНК, выделенную из ткани любого
органа, расщепляют рестрикционной эндонуклеазой. Среди множества фрагментов ДНК
необходимо
найти
последовательность,
один
и
или
несколько
охарактеризовать
несущих
эти
определенную
фрагменты.
Для
нуклеотидную
этого
разделенные
электрофорезом в геле фрагменты переносят на фильтр (бумажный, нитроцеллюлозный или
нейлон), фиксируют на нем и гибридизуют с меченым радиоизотопом зондом. Зонд
представляет собой ранее клонированную последовательность гена, который исследуют, или
искусственно
синтезированную
последовательность.
Так
как
зонд
связывается
с
комплементарными последовательностями фрагмента зафиксированного на фильтре, то
указанный фрагмент выявляется путем экспозиции с рентгеновской пленкой. В настоящее
время возможна молекулярная диагностика не менее 300 наследственных болезней.
Геномные исследования и идентификации генов служат для разработки методов лечения
этих заболеваний, в частности генотерапии, когда больному с аномальным геном вводят в
геном нормальный активный ген.
Медико-генетическое консультирование. Лауреат Нобелевской премии Дж. Уотсон как-то
сказал: « Было принято считать, что наша судьба скрыта в звездах. Однако мы теперь знаем,
что она заключена в наших генах». Современный уровень развития генетики позволяет
приблизиться к получению информации о скрытом носительстве мутантных генов и
следовательно о потенциальной возможности иметь больных детей.
Задача медико-генетического консультирования - предотвратить рождение детей с
патологией и, в конечном счете, свести к минимуму генетический груз. Геномные
исследования позволяют выявлять предрасположенность к ряду патологий на любой стадии
развития организма, в том числе предродовой диагностике. Для этого проводится анализ
ДНК, полученной из крови индивида. Главное преимущество ДНК-диагностики – это
возможность установить первопричины патологии, т.е. нарушение структуры гена. В
настоящее
время
выявляют
более
500
наследственных
заболеваний.
В
России
диагностируется около 50 основных моногенных болезней.
Сейчас получение подобной информации называют генетическим паспортом. В нем
помещают информацию о наличии мутаций в генах наследственных болезней и в генах
предрасположенности к мультифакторным заболеваниям. Генетическое тестирование
72
проводят по медицинским показателям или в качестве платной услуги. Сведения,
записанные в генетическом паспорте представляют собой врачебную тайну, как и результаты
других медицинских обследований. В США генетический паспорт получают все военные в
целях точной идентификации личности. Генетический паспорт позволяет предотвратить
развитие генетических болезней, которые развиваются с возрастом. Для введения
генетической
паспортизации необходимы не только
геномные технологии, но и
квалифицированные специалисты врачи и генетики, которые правильно могут провести
генетический анализ и интерпретировать его результаты. Для решения этой сложной задачи
необходимо проведение широкомасштабных популяционных исследований по тестированию
всех возможных генов предрасположенности к определенным генетическим заболеваниям у
населения. Необходимо получение частот функционально неблагоприятных аллелей в
обширной популяции (300-500 тыс. человек) и сравнение полученной информации с числом
больных этим заболеванием. Когда устанавливают четкую ассоциацию неблагоприятного
аллеля, определяющего заболевание, на втором этапе проводят предиктивное генетическое
тестирование в семьях высокого риска, где уже есть больные. И только на третьем этапе,
когда существуют убедительные доказательства о зависимости ген-болезнь, выявляют
индивидуальную
предрасположенность
к
данному
заболеванию.
Большей
частью
исследования находятся на первом этапе, но и сейчас необходимо накапливать информацию
о функционально неполноценных вариантах генов для уточнения сведений о возможных
патологиях связанных с генетическими причинами. Результаты генетического тестирования
по решению комиссии Европейского общества по генетике человека должны быть строго
конфиденциальны и доступны только для семейного врача с согласия пациента, они не могут
стать достоянием страховых компаний или работодателей.
2.1.7. Генетика поведения. Генетический контроль формирования психологических
характеристик человека. Евгеника.
Генетика поведения — [греч. genētikos — относящийся к рождению, происхождению] —
область знания, исследующая генетические и средовые детерминанты в изменчивости
поведения животных и психологических особенностей человека (в последнем случае иногда
употребляется термин human behavioral genetics). В русском языке, применительно к
изучению человека, целесообразнее использовать термин психогенетика, поскольку
поведение понимается как совокупность внешних действий и поступков человека, и в объем
этого понятия не входят, например, сенсорные пороги, психофизиологические особенности,
формальные характеристики когнитивных процессов и т. д.
73
Нормальное поведение человека изучается в основном психологами, патологическое психиатрами, биологические основы психических болезней - сфера нейробиологии.
Очертить границы нормального поведения очень трудно, они зависят от понятия "норма",
принятого в данном обществе. Однако исследования последних лет отчетливо показали, что
основные психозы, скажем шизофрения, распространены во всех обществах.
Генетический
анализ
множества
признаков
убедительно
продемонстрировал,
что
аномальные функции часто являются следствием единичных генетических дефектов,
мутации одного гена. Нормальная же изменчивость обеспечивается системами генов в
совокупности с влиянием внешней среды. Поэтому изучение генетики аномального
поведения представляется более простой задачей, чем анализ генетических основ
нормального поведения.
Самый простой и прямой подход к оценке генного вклада в изменчивость определенного
признака заключается в сравнении по этому признаку моно- и дизиготных (однояйцовых МЗ, и разнояйцовых - ДЗ) близнецов. Дизиготные близнецы генетически сходны не более
чем обычные братья и сестры. Гены монозиготных близнецов идентичны, хотя не
исключены небольшие различия между ними по некодирующим, в частности, по так
называемым повторяющимся последовательностям ДНК, которые в геноме преобладают. В
таких случаях незначительные различия между МЗ связаны с этими последовательностями
или обусловлены какими-то внешними влияниями.
В свое время на многих ученых большое впечатление произвела идея Ф.Гальтона о том, что
интеллект можно измерить, что статистическое сравнение близких родственников позволяет
по-новому осмыслить проблему взаимодействия наследственности и воспитания в
становлении интеллекта. Близнецовый метод был быстро освоен и стал излюбленным
средством в исследованиях подобного рода. Самое малое сходство интеллекта наблюдалось
у лиц, не связанных родством, самое высокое - у идентичных близнецов. Многочисленные
исследования показали, что многие особенности коэффициента интеллекта IQ имеют
генетическую основу: МЗ-близнецы демонстрируют высокое сходство умственного развития
независимо от различий в условиях воспитания.
Генетические основы выдающихся достижений
Ф.Гальтон показал, что люди, которых в британском обществе того времени считали
выдающимися, имели среди близких родственников мужского пола во много раз больше
знаменитостей, чем можно было бы ожидать при случайном распределении высокой
одаренности. С тех пор неоднократно предпринимались попытки подтвердить наследование
74
гениальности или особых талантов. Изучались родословные знаменитых музыкантов,
ученых, публиковались обширные статистические данные.
На основании своих исследований Ф.Гальтон пришел к такому заключению: вероятность
того, что у выдающегося человека был талантливый отец, в 500 раз выше по сравнению с
человеком обыкновенным. Можно представить, какой вред нанесли России большевики,
методически расправлявшиеся с интеллигенцией и, в конце концов, практически
уничтожившие интеллектуальную элиту страны. Последствия этих диких, варварских деяний
мы расхлебываем до сих пор.
По некоторым прогнозам к 1936 году население России должно было составлять 247 млн.
человек. В действительности в 1939 году в стране насчитывалось всего 167 млн. жителей.
Таким образом, в результате красного террора, вынужденной эмиграции и войн мы
лишились не менее одной трети соотечественников, притом их лучших представителей *.
Аномальное и социально нарушенное поведение
Известны многочисленные случаи наследственной социальной патологии. Как говорил
Андрей Вознесенский: "Есть соль земли, есть сор земли". Например, семейство Джюков,
возникшее в XVIII веке в Северной Америке от брака пьяницы рыбака и беспутной
женщины. В их родословной более 50% слабоумных, воров, проституток, бродяг и т.п. В
конце XIX века нанесенный США этим семейством ущерб был оценен в 1,2 млн. долларов огромная сумма по тем временам. Известна также родословная бродяги, воровки и пьяницы
Ады Юрке, родившейся в 1740 году. Среди ее потомков зарегистрированы 181 проститутка,
76 разного рода преступников, 142 ничтожные падшие личности. Множество примеров,
когда детей из неблагополучных семей брали на воспитание в нормальные, здоровые семьи.
Как правило, результаты были плачевными: дети либо убегали, либо становились на путь
своих биологических родителей *.
В основе умственной отсталости лежат генетические дефекты. Так, среди лиц с тяжелой
умственной отсталостью выявлены лица с нарушениями, сцепленными как с Х-хромосомой,
так и с другими хромосомами. Синдром Дауна (нарушение в 21-й хромосоме) длительное
время был самым распространенным диагнозом в этой патологической группе.
В 1929 году Ланге опубликовал монографию "Преступность как судьба". После нее появился
ряд работ, в которых МЗ- и ДЗ-близнецов сравнивали на конкордантность (совпадение) в
отношении преступного поведения. Оказалось, что конкордантность МЗ-близнецов по
сравнению с ДЗ-близнецами выше во всех исследованиях, а в большинстве - существенно
выше. Конкордантность у МЗ-близнецов по сравнению с ДЗ-близнецами значительно выше и
по гомосексуальному поведению, психозам, шизофрении и др.
75
При анализе предрасположенности к совершению преступлений был использован семейный
метод. Группу из 14427 осужденных сравнивали по частоте привлечения к уголовной
ответственности с их биологическими и приемными родителями. Никакой корреляции
между детьми и приемными родителями обнаружено не было, однако проявилась
достоверная корреляция между частотой привлечения к ответственности детей и числом
осуждений их биологических родителей .
Расстройство психики и нарушения социального поведения часто встречаются у больных с
аномалиями половых хромосом X и Y. Многие соматические отклонения, выявляемые при
этих синдромах, связаны с аномальным половым развитием. Расстройства психики не так
тяжелы и иногда могут иметь особый характер.
Выявление удивительно высокой доли мужчин с XXY- и XYY-кариотипами среди
определенных групп осужденных совпало с усилением в обществе беспокойства по поводу
роста жестокости и насилия. Некоторые генетически обусловленные признаки присущи
закоренелым преступникам-рецидивистам: глубоко посаженные маленькие глазки, низкий
лоб,
отвисшая
нижняя
челюсть.
Еще
одна
особенность
-
пониженная
болевая
чувствительность: число болевых рецепторов на единицу площади тела у них резко снижено.
Неудивительно поэтому их необычное по сравнению с нормальными людьми поведение: они
могут зашить себе рот нитками, прибить себя к стулу, отрубить руку и т.п. - им не больно!
Этим же объясняется их особая жестокость. Когда преступник наносит ножом множество
ран, его раздражают крики жертвы, он не понимает, чем они вызваны, ведь ему боль
неведома.
Нет никакого сомнения, что подобные особенности генетически детерминированы.
Невозможно представить себе, как среда может влиять на развитие болевых рецепторов.
Разговоры о перевоспитании закоренелых преступников, модные во времена Н.С.Хрущева и
усиленно возрождаемые в наше время некоторыми "гуманистами" и "правозащитниками",
лишены оснований и ничего, кроме огромного вреда обществу, принести не могут. Гуманное
отношение к убийцам, проповедуемое некоторыми нашими либералами, фактическими
покровителями уголовного мира, заботящимися о создании преступникам комфортных
условий жизни в заключении, оборачивается пренебрежением к интересам общества.
Помилованные убийцы, оказавшись на свободе, лишат жизни многих честных людей.
Примеры серийных убийц подтверждают это.
Распространение пренатальной (до рождения) диагностики дает родителям возможность
узнавать об аномалии по половым хромосомам еще до рождения ребенка. Надо ли в этом
случае прерывать беременность? Рекомендации генетиков не должны носить директивного
характера, решение может быть принято только родителями.
76
Агрессивность
Социально значимым проявлением психической деятельности человека является его
агрессивность, уровень которой связан с организацией определенных отделов головного
мозга, генетически контролируемой в ходе развития организма. Эта проблема была
проанализирована К.Лоренцем в его книге "Агрессия" *. Он привел интересные данные
социально-психологических исследований индейцев племени юта в Северной Америке.
Оказалось, что они очень страдают от избытка агрессивных побуждений, которые не могут
реализовать в условиях резервации. Индейцы в течение нескольких столетий промышляли
войнами и грабежами. Очевидно, отбор усиливал их агрессивность.
Вынужденное постоянное подавление агрессивности достаточно часто вызывает у индейцев
юта неврозы, многие из них чувствуют себя больными. По мнению Лоренца, единственным
путем избавления от болезней является замещение агрессивности другими видами
деятельности, например спортом. Это один из инструментов, позволяющих обществу влиять
на "направленность" проявления генетически детерминированных свойств человеческой
личности. При наличии национальной вражды необходимо содействовать индивидуальной
дружбе в спорте.
По мнению Лоренца, наука и искусство способствуют объединению людей, ранее
разобщенных и проявлявших агрессивные намерения. Музыка и изобразительное искусство
не знают языковых барьеров и для выполнения своего высокого предназначения должны
оставаться аполитичными. Наука же изначально лишена идеологических предпочтений и
хотя не общедоступна, способна связывать общим воодушевлением хотя и ограниченный
круг людей, зато очень прочно.
Общество очень сильно влияет на индивида, как бы "высвечивая" направленность его
деятельности, при этом способности человека решать те или иные задачи, добиваться
успехов в науке, искусстве, спорте или политике, с той или иной степенью полноты
проявлять себя как личность, в значительной степени определяются генетически. Общество,
в зависимости от своего устройства, может подавлять генетически детерминированные
качества высшей нервной деятельности или способствовать их развитию, сдвигать норму
реакции в определенную сторону.
Генетическая предрасположенность к спорту
Одна из актуальных проблем современного спорта - правильный выбор спортсменом вида,
которым он хочет заниматься. Множество судеб искалечено из-за неправильного выбора.
Появились идеи создания "трансгенных спортсменов" - явно утопичные и асоциальные.
77
Возникла идея использования методов биохимической и популяционной генетики в
спортивной науке.
В 2000 году коллектив английских ученых под руководством Монтгомери опубликовал в
журнале "Nature" итог трехлетней работы по исследованию вариаций гена АСЕ (гена
ангиотензин-превращающего фермента *) у спортсменов различной специализации. Авторы
утверждали, что успех в определенных видах спорта зависит именно от этого гена.
* Фермент, участвующий в биохимической регуляции артериального давления, поскольку ангиотензин
является веществом, действующим на кровяное давление.
Ген АСЕ у человека может быть представлен одной из трех форм: I/I - со вставкой
повторяющегося участка внутри гена на обеих хромосомах, D/D - с отсутствием таковой, I/D
- с наличием вставки на одной из хромосом. Было показано, что лица, обладающие D/D
формой, имеют повышенное кровяное давление, a I/I - пониженное. Таким образом, люди с
D/D формой должны иметь сердце, приспособленное к тяжелым, но непродолжительным
нагрузкам, a I/I - наоборот, к длительным, но не очень интенсивным. Именно такие данные и
были получены Монтгомери при обследовании спортсменов: у стайеров и велосипедистов
преобладала I/I-форма, а у спринтеров, тяжелоатлетов и пловцов - D/D-форма.
Профессор В.А.Рогозкин в совместной работе с англичанами провел широкомасштабное, не
имеющее аналогов в мире исследование по плотности костной ткани, а также гена
коллагена * и гена рецептора кальцитонина **, определяющих массу и прочность костей.
* Белок, составляющий основу соединительной ткани, в том числе костной, и обеспечивающий ее прочность.
** Гормон щитовидной железы, регулирующий кальциевый обмен. По химической природе - полипептид.
При исследовании полиморфизма генов сердечно-сосудистой системы было выявлено
преобладание гетерозиготных (смешанных) вариантов трех из четырех исследуемых генов в
группе гребцов по сравнению с контрольной группой. Это полностью соответствует
представлению о том, что гребля - вид спорта, требующий как выносливости, так и силы
сердца. Анализируя гены, ответственные за метаболизм костной ткани, авторы выявили
преобладание у гребцов формы гена, которая обусловливает пониженную концентрацию
кальция в кости и соответственно повышенную в мышцах. Кроме того, у гребцов реже
встречалась форма гена, ответственного за повышенную плотность костной ткани, что для
занятий греблей не нужно.
Таким образом, тестирование предложенных генов может уже на начальном этапе
подготовки спортсмена дать тренерам первичную информацию для отбора ребят в
спортивные секции и выбора индивидуального подхода к тренировкам. Поэтому в настоящее
время
обсуждаются
перспективы
и
целесообразность
анализа
генетической
предрасположенности в качестве одного из базисных способов формирования олимпийской
сборной и других сборных команд, как способа повышения спортивных достижений.
78
Измерение интеллектуальных способностей
Рассматривая генетические аспекты эволюции, легко убедиться в большом сходстве между
человеком и высшими приматами по хромосомам, белкам и многим другим генетически
детерминированным признакам. Однако существенное отличие человека как вида состоит в
его способности говорить и абстрактно мыслить. Поэтому анализ различий между человеком
и другими видами должен быть направлен прежде всего на изучение мозга - органа
мышления и речи. Именно благодаря его развитию биологическая эволюция нашего вида
дополнена культурной эволюцией.
Развитие типично человеческого поведения у детей возможно лишь при их взаимодействии с
другими индивидами и с окружающей средой в широком смысле слова, включая ее
воздействие на органы чувств и органы движения. Ограничение их деятельности, особенно в
критические периоды детства, может привести к изменению структуры нервных клеток и их
связей.
Широко известны примеры, когда дети, оказавшись в силу тех или иных причин в полной
или частичной изоляции (жертвы ленинградской блокады, бастарды - внебрачные
королевские дети, которых держали в заточении, и т.п.), так и не стали нормальными. Все
предметы внешнего мира ребенку должны быть названы, причем в строго определенный
критический период развития. Воистину, "в начале было слово".
То обстоятельство, что поведенческие признаки могут развиваться только при тесном и
непрерывном взаимодействии с окружающей средой, делает генетический анализ
концептуально нелегким. Кроме того, имеются также и чисто практические препятствия,
которые тормозят научный прогресс в этой области, в частности, для изучения генетической
изменчивости обычно необходимо обследование большого количества индивидов.
Определению относительного вклада наследственности и среды в поведение человека
посвящено множество исследований. Основным предметом изучения в психологии и
генетике поведения долгое время были индивидуальные различия умственных способностей.
Однако эти исследования всегда подвергались жесткой критике, в том числе известным
российским генетиком Н.П.Дубининым.
Умственная отсталость и выдающиеся способности были определены с использованием
социальных критериев: отсталость - то, что делает индивидов неспособными к независимой
социальной адаптации, а выдающиеся способности - те, которые дают возможность их
обладателю считаться среди коллег по профессии лидером.
Коэффициент интеллектуального развития IQ был введен Бине и использовался сначала для
формирования групп учащихся в школах и для классификации степени умственной
79
отсталости.
Впоследствии, к
неудовольствию
Бине,
акцент сместился
в сторону
классификации нормальных людей в соответствии с их IQ. Способствовала этому первая
мировая война, предоставившая американским психологам возможность проверить большое
число новобранцев. После войны интерес к количественной оценке интеллекта сохранился, а
тесты стали более тонкими и объемными.
Современная система испытаний умственных способностей включает тесты, которые
оценивают способность оперировать словами и вербальными конструкциями, обращаться с
абстрактными понятиями и математическими задачами, применять пространственное
воображение и память и пр. Такие тесты оказались очень полезными, несмотря на множество
критических замечаний относительно их смысла. Они давали довольно надежный прогноз
успехов в школе, институте, в выборе профессии и пр. Едва ли, однако, с их помощью можно
определить и оценить творческий потенциал исследуемого субъекта. Скорее, они
показывают степень сообразительности испытуемого, а отнюдь не способность ставить и
решать какие-либо задачи.
Для оценки корреляций IQ и умственных способностей были разработаны различные методы
статистического
анализа.
Опыты
на
однояйцовых
и
разнояйцовых
близнецах
продемонстрировали, что IQ однояйцовых близнецов идентичны, независимо от того,
воспитывались они в одинаковых или принципиально разных условиях.
Генетика человека и евгеника
Когда появились методы количественной оценки интеллекта, первые исследователи в этой
области пытались определить влияние наследственности и среды на нормальную
изменчивость. Общественные настроения после первой мировой войны определялись
евгеническим движением. На многих ученых-биологов оказали воздействие евгенические
представления, выявившие большое влияние генетических факторов на развитие умственных
способностей, а также на проявление умственной отсталости, психических болезней,
алкоголизма, преступности и пр. Ученые пришли к убеждению, что человеческому виду
следует заняться своим улучшением и для этого поддерживать воспроизводство людей,
обладающих
желаемыми
качествами
(позитивная
евгеника),
и
препятствовать
воспроизводству больных, умственно отсталых и калек (негативная евгеника).
Но здесь таилась потенциальная опасность: во времена нацизма в Германии (1933-1945)
люди увидели, к каким ужасающим последствиям может привести искаженное толкование
идеи об улучшении человеческого рода. До сих пор вопросом первостепенной важности,
сегодня даже более важным, чем когда-либо, остается вопрос, впервые поставленный
Гальтоном: каково биологическое будущее человечества.
80
Первое десятилетие XX века ознаменовалось развитием евгеники в Европе и США. Были
организованы различные учреждения, занимающиеся исследованиями в этой области. Со
временем большинство серьезных ученых-генетиков разочаровались в ней, хотя по разным
причинам не говорили об этом. Но сторонники евгеники продолжали работать с большим
энтузиазмом. Курсы евгеники были включены в программу многих колледжей в США, во
многих штатах были введены евгенические законы, которые давали возможность
насильственно стерилизовать людей при наличии у них преступных наклонностей. Однако
вопрос о передаче по наследству таких качеств не имел достоверного научного обоснования.
Ситуацию, которая привела к введению таких законов, иллюстрирует заявление верховного
судьи США Холмса, провозгласившего, что "трех поколений имбецилов достаточно".
Евгеника сыграла важную роль и в принятии законов, ограничивающих иммиграцию в США
из Южной Европы и Азии.
В Германии евгеника стала называться "расовой гигиеной". Это движение было обусловлено
страхом перед вырождением человечества в целом и немецкого народа в частности от
алкоголизма, сифилиса, из-за увеличения рождаемости среди слабоумных и низших слоев
общества. Такие взгляды разделяла значительная часть образованных людей в Германии.
Основные евгенические положения были извращены и превратились в идейное обоснование
расизма
и
национализма,
причем,
нередко
поддерживались
интеллектуалами,
обеспокоенными биологическим будущим человечества. Ведущие германские специалисты
по генетике человека так или иначе причастны к тому, что эта наука в извращенном виде
была поставлена на службу нацистскому государству. Но утверждения, будто генетики
поддерживали нацистский антисемитизм и массовые убийства в концлагерях, измышлены
главным образом политиками или политизированными учеными.
В Советском Союзе евгеника возникла в 1920-е годы. Были организованы бюро по евгенике,
общество
евгеников
и
евгенический
журнал.
Вскоре
обнаружилось
расхождение
евгенических представлений с государственной идеологией, и уже в конце 20-х годов эти
работы были прекращены.
Большевистские власти фактически запретили изучать генетику человека, а заодно и
медицинскую генетику, которая успешно развивалась такими выдающимися учеными, как
С.Н.Давиденков, С.Г.Левит, И.И.Агол и др. Забота партии о науке заключалась, прежде
всего, в приведении научной картины мира в соответствие с идеологией диалектического
материализма и коммунистическими лозунгами. Какой трагедией обернулось это для народа,
всем известно. Генетика же утверждала, что каждая личность уникальна и неповторима и что
многие не только физические, но и психические качества определены от рождения и лишь
частично поддаются влияниям среды и внешней коррекции. Диалектический же материализм
81
оценивал научную теорию не с точки зрения ее соответствия фактам, а с точки зрения
господствующих философских догм и соответствия ее атеистическому мировоззрению. Один
из выдающихся философов современности П. Фейерабенд даже позволил себе сравнить
науку с мифом, а ученых - со жрецами: научная концепция нередко уподобляется мифу, а
ученые, как жрецы, охраняют сложившиеся догмы от инакомыслящих.
Интерес к применению достижений генетики в медицине сохранился дольше. В 20-е годы в
Советском Союзе был организован крупный институт медицинской генетики. Однако его
организатор и директор Л.Е.Левит в 1938 году был расстрелян, тогда же генетика человека
была открыто провозглашена нацистской наукой. После августовской сессии ВАСХНИЛ
1948 года и установления в биологии диктатуры безграмотного агронома Лысенко все
генетические исследования были запрещены. Возрождение генетики началось только в
1964 году. Выдающийся российский генетик М.Е. Лобашев очень четко высказался о роли
евгеники в биологии:
"В целях управления эволюцией человечества требуется научно обоснованная регуляция ее.
Для этого необходима специальная наука евгеника, предметом которой явилось бы изучение
путей и методов особенностей эволюции человека, что осуществимо в полной мере только
в условиях социального и экономического равенства людей... Некоторые биологи склонны
отказаться от термина "евгеника", заменив его антропогенетикой или медицинской
генетикой. С этим согласиться трудно. Медицинская генетика, изучающая наследственные
болезни, их этиологию и лечение, является лишь частным разделом антропогенетики,
которая изучает закономерности наследования свойств человека, как в норме, так и в
патологии, не касаясь эволюции человека. Евгеника же должна заниматься изучением
эволюции человека и путей избавления от неблагоприятных наследственных факторов,
отягощающих человечество. Успехи евгеники будут зависеть от уровня цивилизации и
организации общества".
И еще:
"Отбросив всякие социальные извращения научных основ, евгеника должна существовать и
развиваться как наука, основанная на точных биологических и генетических знаниях" *.
Лобашев считал, что в действительности задачи евгеники включают поиск путей ограждения
человека от наследственных болезней, повышение биологического образования самого
человека и решение других проблем, связанных с оздоровлением человеческого общества.
Одно время даже бытовало мнение, будто евгеника стремится превратить человечество в
конный завод. Конечно, это далеко не так. Н.К.Кольцов, один из активнейших сторонников
евгеники, писал о том, что необходим поиск талантливых людей и
82
"...постановка всех этих талантов в такие условия, при которых они не только сами могли
бы проявить эти способности в полной мере, но и прокормить и воспитать многочисленную
семью..." *.
"Ни война, ни революция не имеют такого пагубного значения для евгеники как...
ограничение потомства. ...Воздержание от деторождения евгенически гибельно..." **.
"Всякое принуждение к браку со стороны всегда будет возбуждать и должно возбуждать
более или менее резкое противодействие со стороны человека, не терпящего насилия в этом
отношении над своей личной свободой" ***.
"Но все же и теперь каждая отдельная нация может осуществлять евгеническую работу,
Для этого требуется ставить в наилучшие условия существования тех граждан, которыми
нация особенно дорожит, всех выделяющихся ценными наследственными задатками. Чем в
более раннем возрасте нация умеет открывать эти задатки таланта среди своих членов,
чем ранее она сумеет обеспечить существование для них и для их семьи, тем более можно
рассчитывать на обогащение нации благородными генами" ****.
Таким образом Кольцов подчеркивает, что с точки зрения евгеники пагубны для
человечества войны и революции, ограничение рождаемости и насильственное проведение в
жизнь евгенических проектов. Он указывает на полезность для нации выявления
талантливых людей (в разных областях человеческой деятельности) и обеспечения им
возможности реализовать свой талант, прокормить семью и дать хорошее образование детям.
Спрашивается, разве это плохо? Где здесь приписываемый евгеникам расизм?
Конечно, в обществе недопустим подбор брачных пар, человек сам должен прийти к учету
наследственных факторов. Тем не менее, отношение ученых к евгенике неоднозначно, здесь
существуют значительные разногласия, как и по многим другим этическим аспектам
биологических проблем. Поэтому в наши дни многие достижения биологов подвергаются
этической экспертизе. Как известно, почти каждое научное достижение, от атомной
энергетики до бактериологических исследований, может быть обращено как во благо, так и
во зло. Да, некоторых генетиков не миновал соблазн: не попытаться ли использовать эту
науку для улучшения человечества? Однако подобные идеи были чужды мировому
сообществу генетиков.
США- за 50 лет в 20 веке стерилизовали 100 тыс человек. Стерилизация больных не
приведет к видимому эффекту в большой популяции (при уничтожении 0,01% больных,
останется 2% носителей). То есть, чтобы снизить заметно частоту встречаемости гена
необходимо стерилизовать огромную часть популяции. Для снижения частоты слабоумия в
США надо стерилизовать слабоумных на протяжении 250 поколений 8000 лет. Или 400000
человек на протяжении нескольких десятилетий.
83
Между тем, развитие генетики поведения совершенно необходимо, поскольку она позволяет
понять механизмы патологических отклонений (в том числе преступности) в поведении
человека, выявить способности в том или ином виде творческой деятельности.
Некоторые ученые делят человека в генетическом плане как бы на две части: первая - общая
с животными и генетически детерминированная, вторая - отличная от животных, не
подчиняющаяся законам генетики, целиком и полностью зависящая от социальной среды.
Нам кажется, что никаких оснований для такого подразделения нет. Законы генетики,
присущие всему органическому миру, распространяются и на человека, включая его высшую
нервную деятельность.
Социальные аспекты генетики
Последовательное развитие биологической науки характеризуется обретением ею все
большего и большего социального и даже в какой-то степени идеологического статуса. В
XX веке
пути
ее
развития
совершенно
неожиданно
пересеклись
с
некоторыми
мировоззренческими проблемами. Это стало особенно заметным после появления генетики,
когда обозначились ее точки соприкосновения с философией и религией. Ничего
удивительного в этом нет, ибо генетика вторглась в пределы религиозно-философских и
идеологических сфер. Агрессивность и склонность к антисоциальным, противоправным
действиям, умственные способности, обучаемость или интеллектуальная тупость, прочие
социально значимые качества оказалось возможно изучать с точки зрения генетики.
В XXI веке этические аспекты биологических проблем привлекли к себе самое пристальное
внимание в связи с публикацией результатов расшифровки генома человека. Геном человека
содержит более 20000-30000 генов, многие из них картированы и клонированы, т.е. известно
их место в хромосомах и их нуклеотидный состав. Установление функциональной роли всех
генов человека - дело, по-видимому, уже недалекого будущего.
В свете успехов генной инженерии евгеника получает новый смысл, и власть внимательно
поглядывает на генетику, оценивая ее возможность так или иначе вмешаться в отлаженную
уже систему общественной жизни и решая, в какой степени можно позволить или запретить
это вмешательство. Хорошо известны значительные финансовые вливания в те отрасли
генетики, которые приносят пользу сельскому хозяйству и медицине. Еще лучше известны
запретительные меры, принимаемые не только в России, но и во всем мире. У нас в свое
время запретили генетику в целом. В Америке хотели запретить генную инженерию,
испугавшись, как бы она не создала возбудителей новых и страшных заразных болезней; в
ряде стран разрабатываются запреты экспериментов по клонированию человека, что, по
84
нашему мнению, справедливо, ибо всякие манипуляции с человеческими зародышами
этически недопустимы.
Поскольку эксперименты, связанные с размножением человека, невозможны, следует, как
полагал Лобашев, искать другие пути контроля над эволюцией человеческого рода. Можно
сформулировать уже очевидные сейчас основные мероприятия в этой области.
Стремление к социальному и экономическому равенству людей, что даст всем генотипам
равную возможность реализовать свои наследственные задатки.
Разработка методов ограждения человека от вредных влияний мутагенов, вызывающих
наследственные и врожденные заболевания.
Профилактика реализации наследственных и врожденных болезней и их лечение.
Изучение и внедрение оптимальных условий обучения, передачи знаний и навыков от
поколения к поколению.
Составление подробных родословных семей, отягощенных наследственными заболеваниями
или,
наоборот,
характеризующихся
какими-либо
положительными
особенностями
(музыкальные способности, другие виды одаренности), их регистрация и обследование.
Медико-генетические консультации людей, вступающих в брак.
Повышение культурного уровня всего общества.
Постепенно подобные меры входят в жизнь в разных странах и сообществах. Собственно
говоря, уже многие евгенические рекомендации претворяются в жизнь. Так, злостные
преступники - убийцы, насильники, гангстеры - приговариваются к пожизненному
заключению, а то и к смертной казни (как в некоторых штатах США, требующих, однако, от
других стран ее отмены), тем самым предотвращая их размножение и распространение
"плохой" наследственности. Психически больные люди также изолируются от общества в
специальных лечебницах, следовательно, они также лишаются возможности оставить
потомство. Наконец, создается сеть медико-генетических консультаций, в которых
новобрачные могут узнать о состоянии своего здоровья, том числе и психического, о своей
наследственности, о возможности передачи потомкам какой-то патологии (если она имеется)
и посоветоваться относительно целесообразности обзаведения потомством.
Иными словами, негативное отношение к евгенике себя не оправдывает. Евгеника - это
своеобразная "профилактическая" генетика человека, которая в тесном взаимодействии с
общей и медицинской генетикой способна принести пользу обществу.
85
2.2. Тематический план по курсу «Актуальные вопросы генетики»
Преподаватель: Гришанин А.К.
Учебная
неделя
1.
Темы лекций
Часы
Предмет и история генетики. Структура и организация
4
генома эукариот. Проблема избыточности генома
эукариот и пути ее решения.
2
Строение и функционирование хромосом.
4
Политенные хромосомы.
3
Митоз, мейоз, клеточный цикл
4
4
Структура и функция гена. Геномика, протеомика.
4
5
Изменчивость
4
Мутационная
наследственного
теория.
материала.
Хромосомные
перестройки.
Полиплоидия. Системные мутации.
6
Молекулярные механизмы мутагенеза, репарации ДНК,
4
кроссинговера и генной конверсии.
7
Основы генетики развития. Клонирование.
4
Основы иммуногенетики.
8
Популяционная генетика. Генетика человека. Гены и
4
болезни.
9
Генетический
контроль
формирования
4
психологических характеристик человека. Генетика
поведения. Евгеника.
86
2.3. Список литературы по курсу «Теория эволюции»
Основная литература
1. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика: В 3-х т. М.: Мир, 1987-1988.
2. Алиханян С. И., Акифьев А. П., Чернин Л. С. Общая генетика. - М.: Высш. шк.,
1985.
3. Бочков Н. П. Клиническая генетика. - М.: Медицина, 1997.
4. Ватти К. В., Тихомирова М. М. Сборник задач по генетическому анализу. - Л.: Изд-во
ЛГУ, 1973
5. Ватти К. В., Тихомирова М. М. Руководство к практическим занятиям по генетике. М.:
Высшая школа, 1979.
6. Гершензон С. М. Основы современной генетики. Киев: Наукова думка, 1983.
7. Гершкович И. Генетика. - М.: Наука, 1968.
8. Дубинин Н. П. Общая генетика. 3-е изд. - М.: Наука, 1986.
9. Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика: Учеб. пособие. - Новосибирск: Изд-во
Новосиб. ун-та: Сиб. унив. изд-во, 2002.
10. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. М.: Высшая школа, 1989.
11. Картель Н. А., Макеева Е. Н., Мезенко А. М. Генетика: Энциклопедический словарь. Минск: Тэхналогия, 1999.
12. Лобашев М. Е. Генетика. 2-е изд. - Л: ЛГУ, 1967.
13. Льюин Б. Гены. М.: Мир, 1987.
14. Натали В. Ф. Основные вопросы генетики. М.: Просвещение, 1967.
15. Орлова Н. Н. Сборник задач по общей генетике. - М.: Изд-во МГУ, 1982.
16. Рис Э., Стенберг М. От клеток к атомам: Иллюстрированное введение в
молекулярную биологию. - М.: Мир, 1988.
17. Сингер М., Берг П. Гены и геномы: в 2-х т. - М.: Мир, 1998.
Хелевин Н. В., Лобанов А. М., Колесова О. Ф. Задачник по общей и медицинской генетике. 2е изд. - М.: Высш. шк., 1984.
Дополнительная литература
1. Алтухов Ю. П. Генетические процессы в популяциях. Учебное пособие для вузов. - М.:
ИКЦ Академкнига, 2003.
2. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки: В 5-ти т. - М.:
Мир, 1986-1987.
87
3. Гайсинович А. Е. Зарождение и развитие генетики. - М.: Наука, 1988.
4. Гилберт С. Биология развития: В 3-х томах. - М.: Мир, 1995.
5. Докинз Р. Эгоистичный ген. - М.: Мир, 1993.
6. Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология: В 3-х т. - М.: Мир, 1982.
7. Кайданов Л. З. Генетика популяций. - М.: Высш. шк., 1996.
8. Классики советской генетики. 1920-1940. - Л.: Наука, 1968.
9. Левонтин Р. Генетические основы эволюции. - М.: Мир, 1978.
10. Ли Ч. Введение в популяционную генетику. - М.: Мир, 1978.
11. Мазер К., Джинкс Дж. Биометрическая генетика. - М.: Мир, 1985.
12. Макгрегор Г., Варли Дж. Методы работы с хромосомами животных. - М.: Мир, 1986.
13. Мацеевский Я., Земба Ю. Генетика и методы разведения животных. - М.: Высш. шк.,
1988.
14. Медведев Н. Н. Практическая генетика. - М.: Наука, 1968.
15. Орлова Н. Н. Генетический анализ. - М.: МГУ, 1991.
16. Патрушев Л. И. Экспрессия генов. - М.: Наука, 2000.
17. Рэфф Р., Кофмен Т. Эмбрионы, гены и эволюция. - М.: Мир, 1986.
18. Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. - М.: Мир, 1967.
19. Физиологическая генетика / Под ред. Лобашова М. Е., Инге-Вечтомова С. Г. - Л.:
Медицина, 1976.
20. Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека: В 3-х т. - М.: Мир, 1989-1990.
21. Хесин Р. Б. Непостоянство генома. - М.: Наука, 1984.
22. Шевченко В. А., Топорнина Н. А., Стволинская Н. С. Генетика человека. - М.: Гуманит.
изд. центр ВЛАДОС, 2002.
23. Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия: Учеб. пособие: в 2 ч. - Новосибирск: Изд-во
Новосиб. ун-та, 1994-1997.
24. Эволюция генома / Под. ред. Доувера Г., Флейвелла Р. - М.: Мир, 1986.
25. Эфроимсон В. П. Генетика этики и эстетики. - СП б: Талисман, 1995.
26. Эфроимсон В. П. Гениальность и генетика. - М.: Информационно-издательское агентство
"Русский мир", 1998.
88
3. Методические рекомендации по организации самостоятельной работы
студентов при изучении курса «Теория эволюции»
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ
1. Центры происхождения культурных растений.
2. Опыты по доместикации животных Д. К. Беляева.
3. Фенетика.
4. Экспериментальная полиплоидия.
5. Генетические методы регуляции численности насекомых.
6. Исследование ступенчатого аллеломорфизма.
7. Работа С. С. Четверикова "О некоторых моментах эволюционного процесса с точки
зрения современной генетики".
8. Получение трансгенных организмов.
9. Клонирование человека: технические и этические проблемы.
10. Политения и политенные хромосомы.
11. Теломеры и теломераза.
12. Прионы.
13. Явление гетерозиса.
14. Онкогены.
ПРИМЕРНАЯ ТЕМАТИКА РЕФЕРАТОВ
1. История отечественной генетики.
2. Развитие хромосомной теории наследственности.
3. Геногеография и изменчивость культурных растений.
4. Геногеография животных.
5. Хромосомный полиморфизм у животных.
6. Значение полиплоидии у растений.
7. Эффект положения гена.
8. Системные мутации.
9.
Задачи геномики.
10. "Эгоистичная" ДНК.
11. Эволюция доминантности.
12. Горизонтальный перенос генов.
13. Генетические эффекты паразитизма.
14. "Расширенный фенотип".
89
15. Генетика и гениальность.
16. Компенсация дозы генов.
17. Апоптоз.
18. Диминуция хроматина в онтогенезе.
19. Геномная дактилоскопия.
20. Моноклональные антитела.
4. Темы контрольных работ
Билеты для контрольной по генетике
Билет 1.
1.Изменчивость наследственного материала и ее причины. Типы мутаций.
2. Ген черной окраски крупного рогатого скота доминирует над геном красной окраски.
Какое потомство можно ожидать от скрещивания
гетерозиготных особей крупного
рогатого скота.
Билет 2.
1. Молекулярные механизмы мутагенеза и репарации ДНК.
2. Ген черной окраски крупного рогатого скота доминирует над геном красной окраски.
Какие телята родятся от красного быка и гибридной коровы.
Билет 3.
1. Законы Менделя. Неполное доминирование. Кодоминирование. Взаимодействие
неаллельных генов.
2. У собак черный цвет шерсти доминирует над коричневым. Черная самка несколько
раз скрещивалась с коричневым самцом. Всего было получено 15 черных и 13
коричневых щенков. Определите генотипы родителей и потомства.
Билет 4.
1. Митоз, клеточный цикл.
2. У крупного рогатого скота ген комолости (безрогости) доминирует над геном
рогатости. Какое потомство можно ожидать от скрещивания комолого быка с рогатой
коровой, если известно, что в прошлом корова принесла от этого же быка рогатого
теленка.
Билет 5.
90
1. Мейоз.
2. У крупного рогатого скота ген комолости (безрогости) доминирует над геном
рогатости. Какое потомство можно ожидать от скрещивания рогатого быка с
гомозиготными комолыми коровами.
Билет 6.
1. Строение и функционирование хромосом.
2. У человека ген, вызывающий одну из форм наследственной глухонемоты, рецессивен
по отношению к гену нормального слуха. Какое потомство можно ожидать от брака
гетерозиготныз родителей.
Билет 7.
1. Структура и функция генома.
2. У человека ген, вызывающий одну из форм наследственной глухонемоты, рецессивен
по отношению к гену нормального слуха. От брака глухонемой
нормальным мужчиной
родился
глухонемой
ребенок.
женщины с
Определите генотипы
родителей.
Билет 8.
1.Изменчивость наследственного материала и ее причины. Типы мутаций.
2. Ген черной окраски крупного рогатого скота доминирует над геном красной окраски.
Какое потомство можно ожидать от скрещивания
гетерозиготных особей крупного
рогатого скота.
Билет 9.
1. Молекулярные механизмы мутагенеза и репарации ДНК.
2. Ген черной окраски крупного рогатого скота доминирует над геном красной окраски.
Какие телята родятся от красного быка и гибридной коровы.
Билет 10.
1. Законы Менделя. Неполное доминирование. Кодоминирование. Взаимодействие
неаллельных генов.
2. У собак черный цвет шерсти доминирует над коричневым. Черная самка несколько
раз скрещивалась с коричневым самцом. Всего было получено 15 черных и 13
коричневых щенков. Определите генотипы родителей и потомства.
91
Билет 11.
1. Митоз, клеточный цикл.
2. У крупного рогатого скота ген комолости (безрогости) доминирует над геном
рогатости. Какое потомство можно ожидать от скрещивания комолого быка с рогатой
коровой, если известно, что в прошлом корова принесла от этого же быка рогатого
теленка.
Билет 12.
1. Мейоз.
2. У крупного рогатого скота ген комолости (безрогости) доминирует над геном
рогатости. Какое потомство можно ожидать от скрещивания рогатого быка с
гомозиготными комолыми коровами.
Билет 13.
1. Строение и функционирование хромосом.
2. У человека ген, вызывающий одну из форм наследственной глухонемоты, рецессивен
по отношению к гену нормального слуха. Какое потомство можно ожидать от брака
гетерозиготныз родителей.
Билет 14.
1. Структура и функция генома.
2. У человека ген, вызывающий одну из форм наследственной глухонемоты, рецессивен
по отношению к гену нормального слуха. От брака глухонемой
нормальным мужчиной
родился
глухонемой
ребенок.
женщины с
Определите генотипы
родителей.
Билет 15.
1.Изменчивость наследственного материала и ее причины. Типы мутаций.
2. Ген черной окраски крупного рогатого скота доминирует над геном красной окраски.
Какое потомство можно ожидать от скрещивания
гетерозиготных особей крупного
рогатого скота.
Билет 16.
1. Молекулярные механизмы мутагенеза и репарации ДНК.
2. Ген черной окраски крупного рогатого скота доминирует над геном красной окраски.
92
Какие телята родятся от красного быка и гибридной коровы.
Билет 17.
1.Законы Менделя. Неполное доминирование. Кодоминирование. Взаимодействие
неаллельных генов.
1. У собак черный цвет шерсти доминирует над коричневым. Черная самка несколько
раз скрещивалась с коричневым самцом. Всего было получено 15 черных и 13
коричневых щенков. Определите генотипы родителей и потомства.
Билет 18.
1. Митоз, клеточный цикл.
2. У крупного рогатого скота ген комолости (безрогости) доминирует над геном
рогатости. Какое потомство можно ожидать от скрещивания комолого быка с рогатой
коровой, если известно, что в прошлом корова принесла от этого же быка рогатого
теленка.
Билет 19.
1. Мейоз.
2. У крупного рогатого скота ген комолости (безрогости) доминирует над геном
рогатости. Какое потомство можно ожидать от скрещивания рогатого быка с
гомозиготными комолыми коровами.
Билет 20.
1. Строение и функционирование хромосом.
2. У человека ген, вызывающий одну из форм наследственной глухонемоты, рецессивен
по отношению к гену нормального слуха. Какое потомство можно ожидать от брака
гетерозиготныз родителей.
Билет 21.
1. Структура и функция генома.
2. У человека ген, вызывающий одну из форм наследственной глухонемоты, рецессивен
по отношению к гену нормального слуха. От брака глухонемой
нормальным мужчиной
родился
глухонемой
ребенок.
женщины с
Определите генотипы
родителей.
93
5. Требования к зачету, список вопросов
История развития генетики. Вклад отечественных ученых в становление и развитие
генетики. Геном эукариот (геном человека). Проблема избыточности генома эукариот и пути
ее решения. Структура и организация генома. Строение и функционирование хромосом.
Цитологические основы наследственности. Генетическая роль ядра и хромосом.
Клеточный цикл. Митоз. Мейоз.
Молекулярные основы наследственности. Молекулярная организация хромосом.
Уровни упаковки хроматина, строение нуклеосом.
Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот. Структура ДНК и РНК.
Функции нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция, трансляция. Центральная догма
молекулярной биологии.
Изучение закономерностей наследования признаков. Г. Мендель - основоположник
метода генетического анализа. Генетическая символика. Моногибридное скрещивание.
Первый и второй законы Менделя. Ди- и полигибридные скрещивания. Третий закон
Менделя. Гипотеза "чистоты гамет". Понятие об аллелях. Полное доминирование, неполное
доминирование, кодоминирование. Гомо- и гетерозиготность.
Отклонения
коплементарное,
от
менделевских
эпистаз,
полимерия.
расщеплений.
Неаллельные
Биохимические
взаимодействия:
механизмы
неаллельных
взаимодействий. Плейотропное действие генов. Экспрессивность и пенетрантность.
Хромосомное определение пола. Расщепление по полу, гомо- и гетерогаметный пол.
Наследование признаков, сцепленных с полом. Наследование при нерасхождении половых
хромосом.
Явление сцепленного наследования. Кроссинговер. Генетическое и цитологическое
доказательства кроссинговера. Определение положения гена в хромосоме. Генетические
карты. Одинарный и множественный перекресты хромосом. Интерференция. Неравный
кроссинговер. Митотический кроссинговер. Строение и функции синаптанемного комплекса.
Молекулярный механизм кроссинговера. Генная конверсия. Специфические гены мейоза.
Наследственная
и
ненаследственная
(модификационная)
изменчивость.
Взаимодействие генотипа и среды. Понятие нормы реакции. Адаптивный характер
модификаций.
Комбинативная изменчивость, механизмы ее возникновения. Эволюционная роль
комбинативной изменчивости.
Мутагенез. Классификация мутаций. Генеративные и соматические мутации. Прямые,
обратные и супрессорные мутации. Условные мутации.
94
Генные мутации. Молекулярные механизмы генных мутаций. Генетический код.
Типы генных мутаций. Хромосомные мутации. Внутри- и межхромосомные перестройки:
делеции, дупликации, инверсии, транслокации. Геномные мутации. Классификация
геномных мутаций. Роль полиплоидии в эволюции и селекции.
Транспозиции.
Мобильные
элементы
генома
у
прокариот
и
эукариот.
Функциональное значение мобильных элементов.
Спонтанный и индуцированный мутационный процесс. Выявление и количественный
учет мутаций. Генетический контроль мутационного процесса. Радиационный и химический
мутагенез. Мутагены окружающей среды. Факторы, модифицирующие мутационный
процесс.
Механизмы репарации ДНК. Прямая коррекция мутационных повреждений.
Эксцизионная репарация ДНК.
Развитие представлений о гене. Теория гена Моргана. Функциональный и
рекомбинационный критерии аллелизма. Множественный аллелизм. Делимость гена.
Ступенчатый и псевдоаллелизм. Ген как единица функции. Межаллельная комплементация.
Современные представления о генах. Геномика - наука о геномах. Структурная
организация генома прокариот и эукариот. Классификация повторяющихся элементов
генома. Мозаичное строение генов эукариот. Интроны и экзоны. Семейства генов.
Псевдогены.
Генетический контроль и молекулярные механизмы репликации. Полигенный
контроль процесса репликации. Схема событий в репликационной вилке. Понятие о
репликоне.
Молекулярные
механизмы
регуляции
действия
генов.
Оперонный
принцип
организации генов у прокариот. Экспрессия генов эукариот. Структура транскрипта:
регуляторная и структурная части гена. Принципы регуляции транскрипции у эукариот.
Онтогенез как реализация наследственно детерминированной программы развития.
Ведущая роль ядра в развитии. Ооплазматическая сегрегация, взаимодействие ядра и
цитоплазмы
в
процессе
клеточной
дифференцировки.
Восстановление
и
утрата
тотипотентности клеток у животных. Клонирование человека и животных: технические и
этические проблемы.
Дифференциальная
работа
генов
в
ходе
онтогенеза.
Регуляция
раннего
эмбрионального развития дрозофилы. Гомеозисные гены.
Клеточные
взаимодействия
в
развитии.
Вторичная
индукция.
Генетическая
специфичность индукции. Гормоны как медиаторы развития. Гормональная регуляция
метаморфоза у насекомых. Апоптоз и его роль в процессе морфогенеза.
95
Основы онкогенетики. Причины возникновения опухолей. Трансформация клеток и
процесс образования опухолей. Онкогены и онкобелки. Гены-супрессоры опухолей.
Опухолевая прогрессия. Молекулярно-генетические подходы к терапии рака.
Популяция - элементарная единица эволюции. Вид как система популяций.
Генетическая структура популяции. Частоты генов и генотипов. Менделевская популяция.
Закон Харди-Вайнберга. Факторы динамики генетического состава популяции: дрейф генов,
мутационный процесс, миграции, избирательное спаривание особей, естественный отбор.
Формы отбора: движущий, стабилизирующий, дизруптивный. Изоляция как условие
дифференциации популяций.
Генетический полиморфизм и его адаптивное значение. Механизмы поддержания
генетического
полиморфизма.
Генетический
груз.
Методы
изучения
генетической
изменчивости в природных популяциях. Задачи геносистематики. Основы природоохранной
генетики. Проблема сохранения биоразнообразия и охрана генофондов.
Человек как объект генетических исследований. Биосоциальная природа человека.
Методы изучения генетики человека: генеалогический, близнецовый, цитогенетический,
биохимический. Метод гибридизации соматических клеток. Молекулярно-генетические
методы.
Понятие об евгенике. Позитивная и негативная евгеника: социальные аспекты.
Генетический контроль формирования психологических характеристик. Наследственность и
социальное поведение.
96