История развития генетики

Современные формулировки законов Менделя:

1-й закон Менделя – закон  единообразия гибридов первого  поколения.

При скрещивании гомозигот  все гибриды первого поколения  единообразны по генотипу и фенотипу.

Правило чистоты гамет.

При гаметогенезе у гетерозигот  в каждую из гамет с равной вероятностью переходит один из двух аллелей

2-й закон Менделя – закон  расщепления.

При моногибридном скрещивании  гетерозигот примерно четвертая  часть их потомков обладает рецессивным  вариантом признака.

3-й закон Менделя – закон  независимого наследования отдельных  признаков.

Отдельные признаки наследуются  независимо друг от друга, если гены, отвечающие за развитие этих признаков, не сцеплены между собой.

Условия выполнения законов  Менделя

Законы И. Менделя являются фундаментальными законами генетики (подобно законам  Ньютона в физике). Однако они (как  и любые законы природы) выполняются  только при наличии определенных условий:

1. Подразумевается моногенное наследование. Это означает, что за один признак отвечает один ген. Тогда выстраивается логическая цепочка: «один ген – один полипептид; один полипептид – один фермент; один фермент – одна реакция; одна реакция  – один признак».
2. Гены, отвечающие за развитие разных признаков (например, А и В) не влияют друг на друга, не взаимодействуют между собой.
3. Гены, отвечающие за развитие разных признаков (например, А и В), не сцеплены между собой, а сочетания их аллелей образуются случайным образом в равных соотношениях.
4. Выполняется правило чистоты гамет (правило чистоты гамет не является законом).
5. Равновероятность встречи гамет и образования зигот.
6. Жизнеспособность особей не зависит от их генотипа и фенотипа.
7. Законы Менделя носят статистический характер: отклонение от теоретически ожидаемого расщепления тем меньше, чем больше число наблюдений.
8. Каждому генотипу соответствует определенный фенотип (100%-ная пенетрантность признаков).
9. У всех особей с данным генотипом признак выражен в равной степени (100%-ная экспрессивность признаков).
10. Изучаемые признаки не сцеплены с полом.

При несоблюдении перечисленных условий  наследование признаков приобретает  более сложный характер.⁶

Хромосомная теория наследственности: зарождение и развитие

Своими исследованиями Мендель  определил развитие науки на десятилетия. В 60-е годы XIXв о наследственности и наследовании признаков создавались  самые невероятные теории. Ученые лишь шаг за шагом приближались к  истине, хотя и с другого направления. В 1875 г. Оскар Гертвиг описал процесс  оплодотворения как соединения двух клеток. Обобщив исследования, касающиеся деления клеток, Август Вейсман назвал носителями наследственных свойств  ядра клеток. Изучение хромосом привело  к предположениям о том, как могут  распределяться наследственные факторы  между двумя клетками. Эти «цветные тельца» в клеточном ядре были открыты Фридрихом Антоном Шнейдером  в 1873 г. Вскоре выяснилось, что у каждого  определенного вида растений и животных число хромосом одинаково. В 1883 г. Эдуард Ван Бенеден заметил, что в  половых клетках их в два раза меньше. При их соединении получается двойной набор хромосом, характерный  для взрослых индивидуумов. Так, в  начале нашего века эмбриология и  цитология заложили надежную основу для исследования материальных носителей  наследственности. Оставалось только «открыть генетику». Это сделали  Карл Эрих Корренс, Хуго Де Фриз и Эрих Чермак, работавшие соответственно в  Германии, Нидерландах и Австрии.

 В 1900 г. эти трое ученых  опубликовали независимо друг  от друга результаты исследований  по скрещиванию растений. Чемрак  обнаружил забытую работу Менделя,  и она была вновь напечатана  в 1901 г. Вскоре после этого  два цитолога, Уолтер Сеттен и  Теодор Бовери, показали, что законы  Менделя очень хорошо объясняют  распределение хромосом при делении  клеток. Так медленно набирала  темпы хромосомная теория наследственности.

 В первое десятилетие нашего  века развитие генетики происходило  довольно бурно. При исследовании  наследственности умело пользовались  математической статистикой, но  мало интересовались биологической  стороной вопроса, искали средние  показатели количественных признаков  и отклонения от них. Позже  стало понятно, что эти признаки  определяются большим числом  генов и их анализ крайне  затруднителен. Однако в 1908 г. Уильям Бетсон и его сотрудник Р. Пеннет, исследуя парные признаки, установили, что их распределение не согласуется с законами Менделя. Молодая наука генетика попала в кризисную ситуацию.

 Эти противоречия, в сущности, стали началом нового открытия. И его сделал Томас Морган, профессор экспериментальной зоологии  Колумбийского университета в  Нью-Йорке. Он сумел объединить  данные статистики и результаты  исследования процессов, происходящих  в клетках. В 1908 г. Морган  начал генетическое изучение плодовой мушки Drosophila melanogaster. Это маленькое насекомое идеально подходит для генетических исследований: у мушки 4 хромосомы, она начинает размножаться через 2 недели после появления на свет, и ее легко изучать в течение жизни, продолжительность которой 3 месяца. Морган и его коллеги по Колумбийскому университету пришли к убеждению, что хромосомы действительно напрямую связаны с наследственностью.

 Результаты некоторых проведенных  Морганом экспериментов по разведению  плодовой мушки, казалось, противоречили  менделевскому закону независимого  наследования. Группа, руководимая  Морганом, установила, что некоторые  признаки, очевидно, связаны между  собой. Иными словами, их сочетание  встречается у потомков чаще, чем предполагают статистические  законы Менделя. Так, например, белоглазость – мутантный признак  – почти всегда встречалась  только у самцов. Морган назвал  это явление сцеплением с полом.  Тенденция к сцеплению подсказала  Моргану, что гены, по-видимому, располагаются  в тесной близости друг к  другу на одной и той же  хромосоме. Были обнаружены четыре  такие сцепленные группы генов  у плодовой мушки, которые соответствовали  четырем ее парам хромосом.⁷

Благодаря цитолого-генетическим экспериментам <…> удалось установить участие некоторых хромосом в определении пола. У дрозофилы, например, наряду с тремя парами хромосом (аутосом), не имеющих отношения к определению пола, была обнаружена пара половых хромосом. Половые хромосомы, в свою очередь оказались двух типов – длинные палочковидные Х-хромосомы и маленькие изогнутые Y-хромосомы. Их сочетаниями и определяется пол мухи. Дальнейшие эксперименты показали, что у дрозофилы, как и у большинства млекопитающих (в том числе человека), амфибий, рыб и большинства растений попадание в зиготу двух Х-хромосом приводит к формированию женской особи, объединение же одной Х-хромосомы и одной Y-хромосомы дает начало мужской особи. Следовательно, все женские гаметы одинаковы – они несут по одной Х-хромосоме; мужские особи дают гаметы двух типов: половина содержит Х-хромосому, половина – Y-хромосому. Поэтому при оплодотворении половина зигот получает набор хромосом XX, а половина – XY, и отношение полов равняется 1:1.

У большинства птиц, насекомых и  части растений определение пола происходит иным образом: мужской пол  получается от сочетания двух Х-хромосом; женский пол характеризуется  сочетанием Х- и Y-хромосом.⁸

 В начале 1912 г. к группе  исследователей, работавших вместе  с Морганом, в «мушиной комнате», присоединились два студента  Колумбийского университета – Альфред Х. Стертевант и Кальвин Б.Бриджис. Спустя два года их примеру последовал студент-выпускник Герман Дж. Меллер. К своему удивлению, Морган и его сотрудники отмечали, что гены, расположенные на одной и той же хромосоме, наследовались вместе реже, чем этого можно было ожидать. В большинстве клеток организма имелось по две хромосомы каждого типа, и Морган подозревал, что хромосомы в паре могут расщепляться и рекомбинировать, тем самым позволяя производить обмен генами. Эта мысль подтверждалась полученными под микроскопом данными переплетающихся хромосом, которые, по мнению впервые наблюдавшего их в 1909 г. бельгийского ученого Ф. А. Янсена, могли обмениваться между собой своими участками.

 Чем больше расстояние между  двумя генами в одной хромосоме,  рассуждал Морган, тем больше  вероятность разрыва. Если это  так, то гены не будут наследоваться  вместе. И наоборот, гены, расположенные  в хромосоме близко друг от  друга, имеют меньше шансов  быть разделенными. Уже в 1911 г. Стертевант осознал, что степенью сцепления двух генов в хромосоме может служить величина линейного расстояния между ними. Представление о том, что гены локализуются в хромосоме в специфической линейной последовательности и, далее, что основу сцепления составляет близость двух генов на хромосоме, можно отнести к числу основных достижений генетической теории.

 Замечательное открытие Моргана  дало мощный толчок развитию  генетики. Молодая наука обогатилась  первыми теоретическими обоснованиями  и получила признание в мире  ученых. Морган получил Нобелевскую  премию по физиологии и медицине  в 1933 г. «за открытия, связанные  с ролью хромосом в наследственности». 

 С развитием концепции гена  стало ясно, что в основе мутации  лежат какие-то химические изменения  в веществе – носителе наследственной  информации. (Различают три уровня организации наследственных структур: генный, хромосомный и геномный. Соответственно этому может быть три типа мутаций. Если изменение возникает на молекулярном уровне с ДНК, то мутация называется генной. Если изменяется структура хромосом, то говорят о хромосомных мутациях. В случае изменения числа хромосом речь идет о мутациях геномных.⁹)  Этот вопрос был подробно изучен Германом Дж. Меллером, который со студенческих лет начал работать в группе Моргана. Он выяснил, что большинство мутаций вредны и смертельны. Что скорость мутации не зависит от окружающих факторов и мутации происходят с постоянной скоростью, независимо от необходимости в них. В 1926 г. Меллер обнаружил, что рентгеновские лучи увеличивают скорость мутации в сотни и тысячи раз по сравнению с нормой. Эти эксперименты положили начало радиобиологии.

 Открытие, согласно которому  наследственность и эволюция  могут преднамеренно изменяться  в лабораторных условиях, вызвало  сенсацию. Меллер внезапно стал  известным и почитаемым. В 1934 г.  он принял приглашение Н.И.Вавилова, директора Института растениеводства Академии наук СССР, приехать в Ленинград в качестве ведущего генетика для проведения исследований мутаций генов. В 1946 г. Меллеру была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского облучения».

 Хромосомная теория наследственности  явилась высшим достижением генетики. Хромосомные карты и возможность  создания искусственных мутаций  с помощью радиации или химических  мутагенов оказалась мощным оружием  в руках селекционеров. Благодаря  ему чисто интуитивный искуственный  отбор, осуществляемый в течение  тысячелетий, превратился в точную  науку, и это позволило неимоверно  ускорить создание новых сортов. В 50-60-е годы были получены  новые высокоурожайные культуры; результат их внедрения оказался  столь впечатляющим, что в мире  заговорили о «зеленой революции».¹⁰

Гены

По статье В. В. Велькова «Опять актуален вопрос: что такое ген?» (http://wsyachina.narod.ru/biology/gene_1.html)

Один ген — один признак

Создатель генетики, монах августинского монастыря  Георг Иоанн Мендель, слова „ген“  не знал. Но благодаря результатам  своих чётко продуманных и  безупречных опытов пришёл к выводу, что у организмов существуют какие-то дискретные наследственные факторы, определяющие дискретные морфологические признаки. Гениальный и дерзкий труд смиренного монаха, опубликованный в 1866 г., остался  незамеченным.

В 1900 г  законы Менделя были переоткрыты <…> Но термин „ген“ предложил датский исследователь Вильгельм Иоганнсен. В 1909 г он написал: „свойства организмов обуславливаются особыми, при известных обстоятельствах отделимыми друг от друга и в силу этого до известной степени самостоятельными единицами или элементами в половых клетках, которые мы называем генами. В настоящее время нельзя составить никакого определённого представления о природе генов; мы можем лишь довольствоваться тем, что подобные элементы действительно существуют. Не являются ли они химическими образованиями — об этом мы пока не знаем решительно ничего“. Что ж, в 1909 г Иоганнсен действительно не знал, что ещё в 1902 г английский врач А. Гаррод, исследуя родословные семей, пришёл к выводу, что алкаптонурия, болезнь, связанная с нарушением обмена веществ (нарушением „биохимии“, то есть), передаётся по наследству. К открытию английского врача судьба была не более благосклонна, чем к открытию католического монаха — оно было признано и оценено через 30 лет.

Один ген — одна биохимическая  реакция

Когда мы говорим о том, что такое ген, будем различать его структуру  и его функции. Структура —  из чего и как организован ген, функция, — что и как он делает. Из работ Георга Менделя следует, что функция гена — определение  морфологического признака. Сэр Арчибальд  Гаррод, работая врачом в госпитале  для больных детей и „демонстратором“ химической патологии в больнице Св. Варфоломея, обнаружил, что алкаптонурия вызывается повреждением одного рецессивного гена и что болезнь проявляется, согласно анализу родословных, когда  мутантный аллель находится в  гомозиготном состоянии. Отсюда был  сделан вывод, что повреждение одного гена вызывает отсутствие одной биохимической  реакции. А раз биохимические  реакции катализируются ферментами то, предположил сэр Арчибальд, ген  предопределяет наличие активного  фермента. А отсюда рукой подать до вывода „один ген — один фермент“. Но он был сделан только через 30 лет. Детский врач А. Гаррод публиковал свои результаты в самом респектабельном, но медицинском журнале „Lancet“  — генетики его не читают.