Kitabı oxu: «Генетика на пальцах»

«Во всем должен быть порядок»

Народная мудрость

© А.Л. Шляхов, 2022

© Издательство АСТ, 2022

Предисловие

Все живые организмы обладают двумя чудесными свойствами – наследственностью и изменчивостью. Чудесными (в переносном, разумеется, смысле) эти свойства называются потому, что благодаря им на нашей планете существует такое невероятное многообразие жизни.

Наследственностью называют способность живых организмов передавать свои признаки следующему поколению. Дети похожи на родителей…

Дети похожи на родителей, но не полностью, потому что наследственность тесно связана с изменчивостью – способностью живых организмов приобретать индивидуальные признаки, отличающие их от других особей. Наследственность и изменчивость – противоположные свойства, которые природа запрягла в одну упряжку. Наследственность поддерживает установленный порядок, а изменчивость его нарушает, и никуда им друг от друга не деться.

Что было бы, если бы не существовало наследственности?

А ничего бы не было! В смысле – ничего живого. Жизнь возможна только при условии непрерывного самоподдерживания посредством размножения, а без возможности передавать свои признаки следующему поколению размножаться нельзя.

Что было бы, если бы не существовало изменчивости?

На суше ничего живого не было бы. А в воде обитали бы потомки первого одноклеточного организма, с которого началась жизнь на нашей планете. Все они были бы полностью схожи друг с другом, каждое поколение являлось бы абсолютно точной копией предыдущего. Жизнь, как известно, зародилась в воде и первоначально развивалась там. При отсутствии изменчивости выход жизни из воды на сушу был бы невозможен. Порядок нужен, с этим никто не спорит, но что-то где-то иногда должно изменяться…

Наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости, называется генетикой. В вольном переводе с греческого ее название означает «наука о происхождении». Генетика – относительно молодая наука, с непростой судьбой. Годом ее рождения считается 1865 год, в котором австрийский монах Грегор Мендель обнародовал результаты исследований о передаче признаков по наследству при скрещивании гороха. Революционные, без какого-либо преувеличения, опыты Менделя не удостоились внимания научной общественности, а новорожденная наука на протяжении четырех десятилетий словно бы и не существовала. У нее даже имени своего не было, не говоря о чем-то другом. Лишь в 1906 году британский биолог Уильям Бэтсон образовал от греческого слова «генезис» («рождение») термин «генетика». Получив имя, новая наука начала быстро развиваться. Открытия шли одно за другим, появлялись новые направления, выраставшие в отдельные отрасли. На сегодняшний день генетика является не просто наукой, а совокупностью научных дисциплин, число которых перевалило за три десятка.

Раньше преступники творили свои черные дела в перчатках, чтобы не оставлять отпечатков пальцев на месте преступления, а сейчас самые осторожные из них действуют в наглухо закрытых комбинезонах, чтобы не оставить криминалистам ни волоска, ни кожной чешуйки, ни капельки слюны или крови, из которых можно выделить ДНК¹ и «пробить» ее по генетической базе. Криминалистическая генетика помогает раскрывать преступления.

Генная инженерия широко используется в животноводстве, растениеводстве и медицине. Все, наверное, слышали о генетически модифицированных организмах и векторных вакцинах? А знаете ли вы, что в будущем врачи будут лечить пациентов, «переписывая» их наследственные программы?

А сколько нам открытий чудных готовит археогенетика, которая изучает генетическую историю жизни на нашей планете? Выделенная из археологических останков ДНК «рассказывает» о том, как именно происходило расселение человека по планете; о том, чем болели наши древние предки; о том, чем они питались, и о многом другом…

Эта книга предназначена как для школьников, которым хочется больше знать и лучше понимать, так и для взрослых, которым интересна генетика. Изложенный материал выходит за рамки школьного курса генетики, включенного в программу по биологии, однако не стоит бояться, что вы чего-то не поймете, поскольку информация подается в легкоусвояемом виде. Книга написана по принципу «просто о сложном», как и положено в серии «Наука на пальцах».

Познавательного вам чтения!

Глава 1
Две кислоты, без которых не было бы жизни

В далеком 1869 году швейцарский биолог Иоганн Мишер выделил из клеточных ядер человеческих лейкоцитов² вещество, которое назвал «нуклеином» от латинского слова «нуклеус» («ядро»). Мишер установил, что нуклеин состоит из углерода, кислорода, водорода, азота и фосфора, а также то, что нуклеин обладает кислыми свойствами, но ничего большего возможности того времени сделать не позволяли. «Расшифровать» структуру нуклеина удалось лишь в середине ХХ века. По результатам «расшифровки» нуклеин переименовали в дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК).

Пусть вас не смущает столь длинное название. С третьей попытки его можно произнести уже без запинки, да и вообще чаще всего пользуются аббревиатурой ДНК, так проще. Следом за дезоксирибонуклеиновой кислотой была изучена рибонуклеиновая кислота (РНК), содержащаяся как в клеточном ядре, так и за его пределами.

Молекулы ДНК и РНК состоят из повторяющихся блоков, которые называются нуклеотидами. Нуклеотиды, в свою очередь, состоят из азотистого основания и одного из двух сахаров: рибозы или дезоксирибозы³. От сахара образуется название нуклеиновой кислоты. В состав ДНК и РНК входят четыре азотистых основания. Аденин (A), гуанин (G) и цитозин (C) – общие для обоих нуклеиновых кислот, тимин (T) встречается только в ДНК, а урацил (U) – только в РНК⁴. Условно азотистые основания можно сравнить с буквами, при помощи которых записывается наследственная информация организма.

Если с химической точки зрения ДНК и РНК довольно схожи между собой как представители одной и той же группы нуклеиновых кислот, то с генетической точки зрения разница между ними огромна. Молекулы ДНК являются хранителями наследственной информации и организаторами ее передачи по назначению. А молекулы РНК играют вспомогательную роль. Однако из этого правила существует исключение. У многих вирусов, не имеющих ДНК, наследственная информация «записана» на молекулах РНК. А еще у вирусов, наряду с двухцепочечной ДНК и одноцепочечной РНК, встречаются и двухцепочечная РНК, и одноцепочечная ДНК, имейте это в виду.

Молекулы ДНК гораздо крупнее молекул РНК, которые тоже не маленькие. Если молекулы РНК можно назвать крупными, то молекулы ДНК – гигантскими. Число нуклеотидов в ДНК может доходить до нескольких сотен миллионов. Молекулы ДНК состоят не из одной, а из двух нуклеотидных цепочек, которые для пущей компактности еще и закручены вокруг своей оси в спираль. Цепочки устроены так, что остатки фосфорной кислоты и дезоксирибозы выполняют роль каркаса, похожего на перила винтовой лестницы, а нуклеотиды-«ступеньки» располагаются внутри и доступны для считывания. А вот молекулы РНК состоят из одной длинной нуклеотидной цепочки, которая также закручивается в спираль, или из множества одинарных спиралей, образующих подобие клубка.

Схематическое изображение фрагментов молекул ДНК и РНК

Наследственную информацию, закодированную в молекулах ДНК, нужно передавать потомкам, верно? Следовательно, нужно копировать молекулы ДНК. Эти молекулы настолько сознательны, что копируют себя сами. Про сознательность была шутка, потому что молекулы разумом не обладают, а про самокопирование – чистая правда. Молекулы ДНК обладают способностью к самовоспроизведению, которая по-научному называется репликацией.

Процесс репликации происходит так. Двойная нуклеотидная цепочка разъединяется, и по каждому из фрагментов начинают «ползти», то есть перемещаться, белковые комплексы, содержащие фермент⁵ под названием ДНК-полимераза. ДНК-полимераза считывает информацию с материнской цепочки и на ее основе создает новую цепочку. Таким образом в ходе процесса из одной молекулы ДНК образуются две дочерние, каждая из которых содержит половину (одну цепочку) материнской ДНК. Разъединение двойной спирали для копирования обеспечивает особый фермент, который называется хеликазой. Хеликазу можно сравнить с ножницами, разрезающими связи между цепочками.

Репликация

Репликация – основа наследственности. Дочерние ДНК должны являться копиями материнской ДНК. Обратите внимание на слово «должны», потому что оно имеет важное значение. Да, природа «запрограммировала» молекулы ДНК на точное самокопирование, однако во время репликации вместо нужного нуклеотида в цепочку может быть встроен другой, содержащий иное азотистое основание. Такие ошибки неизбежны. В результате наследственный код может измениться. Вот вам один из примеров изменчивости.

Имеете ли вы представление о скорости размножения бактерий? Если с питанием все в порядке, то есть бактерии находятся в питательной среде, содержащей все необходимое, то примерно раз в 20 минут одна бактерия будет делиться на две дочерние клетки. В идеальных условиях, исключающих гибель бактерий, от одной клетки-праматери за 10 часов может образоваться миллион потомков! А вот амеба, пребывающая в благоприятных условиях, делится надвое раз в сутки, а то и реже. Как, по-вашему, чем можно объяснить столь большую разницу в скорости размножения у двух одноклеточных организмов?

Давайте вспомним, что амебы относятся к эукариотам, то есть организмам, клетки которых имеют ядро⁶, а бактерии – к безъядерным прокариотам. У эукариот репликация протекает со скоростью от 500 до 5000 нук- леотидных пар в минуту, а у прокариот скорость репликации гораздо выше и в среднем составляет около 100 000 пар в минуту. Почему? Да потому, что у эукариот молекулы ДНК содержатся в ядрах, а у прокариот находятся в цитоплазме – полужидкой внутренней среде клетки. Проще говоря, в клетках-эукариотах ДНК хранится в «упакованном» виде, а у прокариот в «распакованном», полностью готовом к копированию. Прокариотам, в отличие от эукариот, не приходится тратить время на «распаковку» и «упаковку» молекул ДНК, а также на транспортировку «строительного материала» внутрь ядра из цитоплазмы, потому и репликация у них протекает гораздо быстрее. Кроме того, амебы имеют более сложное строение, чем бактерии, а на воспроизводство большего количества клеточных структур тоже требуется больше времени. Но главное различие – скорость репликации.

Вот вам вопрос на сообразительность (ответ будет дан в конце этой главы).

Первое. Эукариоты произошли от прокариот. Самые первые клетки были безъядерными, ядра появились на определенном этапе эволюции. С одной стороны, мы знаем, что естественный отбор, являющийся основным фактором эволюции, можно сказать – ее движущей силой, оставляет (закрепляет) полезные, благоприятные для существования и размножения признаки и исключает вредные, неблагоприятные. Это происходит само собой, а не по чьему-то велению. Особь, обладающая благоприятным признаком, сможет прожить дольше и оставить больше потомства, чем условно-средняя особь, не имеющая такого признака. И ее потомки, получившие благоприятный признак, тоже смогут прожить дольше и оставить больше потомства. Таким образом, со временем признак распространится по всей популяции⁷, а особь с неблагоприятным признаком проживет меньше среднего и оставит мало потомства, а то и вовсе не доживет до половозрелого возраста. Иначе говоря, вредный признак не будет передан потомству или же будет передан малому количеству потомков. В отличие от полезного, вредный признак не сможет распространиться по всей популяции, он со временем сойдет на нет.

Второе. Высокая скорость размножения с эволюционной точки зрения безусловно является благоприятным признаком. Чем быстрее растут наши ряды, тем скорее мы вытесним всех конкурентов и завоюем мир! В конечном итоге все живые организмы к этому и стремятся.

Третье. Эволюция не ошибается, потому что она этого не умеет. Ошибается тот, кто принимает решение, а эволюционный процесс протекает стихийно, без какого-либо контроля.

Вопрос: так почему же появление клеточного ядра было закреплено естественным отбором как полезный признак? Можно спросить иначе: почему довольно канительная «упаковка» молекул ДНК в клеточное ядро была закреплена естественным отбором как полезный признак?

Пойдем дальше.

Молекулы ДНК служат матрицами для молекул РНК. Образование молекулы РНК на ДНК-матрице называется транскрипцией. Транскрипция напоминает репликацию – по молекуле ДНК «ползет» фермент РНК-полимераза и по считываемому коду синтезирует молекулу РНК.

Молекулы РНК, в свою очередь, служат матрицами для синтеза молекул различных белков. Этот процесс называется трансляцией.

Вся наследственная информация реализуется в виде синтеза тех или иных белков, являющихся основой жизни на нашей планете. Все свойства живых организмов, начиная с цвета волос и заканчивая состоянием иммунной системы, определяются белками.

У вдумчивых читателей может возникнуть вопрос: зачем сначала синтезировать РНК-матрицы на ДНК-матрицах, а затем на РНК-матрицах синтезировать белковые молекулы? Зачем нужны посредники, на создание которых приходится тратить время и средства? Опять же, лишние копирования увеличивают процент ошибок…

Так удобнее. Молекула ДНК представляет собой весьма громоздкую матрицу. Маленькие матрицы РНК гораздо удобнее для синтеза белковых молекул, и это удобство оправдывает затраты на их производство. Кроме того, ДНК-матрица в клетке всего одна, а РНК-матриц можно «наштамповать» много и вести синтез белковых молекул на всех одновременно. В живой природе нет ничего избыточного и нерационального, а если что-то и кажется нам таковым, то только лишь по причине непонимания сути. Так, например, мы пока еще не знаем назначение участков молекул ДНК, не хранящих никакой информации. Эти участки не очень-то благозвучно называют «мусорной ДНК», но дело не в названии, а в том, что к «мусору» относится более 90 % молекулы ДНК. Если бы эти участки на самом деле были бы «мусором», то есть чем-то ненужным, то они давным-давно исчезли бы в ходе эволюционного процесса. Однако же они сохранились, следовательно, без них обойтись нельзя.

РНК служат не только матрицами. Они входят в состав ряда ферментов и сами по себе тоже способны проявлять ферментативную активность, которая выражается в способности «разрывать» другие молекулы РНК или, напротив, «склеивать» их фрагменты. РНК, выступающие в роли самостоятельных ферментов, называются рибозимами.

Существует также транспортная РНК, которая переносит аминокислоты к месту синтеза белков. А малютка РНК-праймер, состоящая всего из десятка нуклеотидов, выполняет очень важную функцию – запускает процесс репликации ДНК.

Кстати говоря, вид одной длинной спирали имеют молекулы РНК, служащие матрицей для синтеза белков. Все прочие, «нематричные» разновидности РНК состоят из «клубков», образованных множеством коротких спиралей.

У многих вирусов РНК играет роль ДНК, то есть является хранителем наследственной информации. А знаете ли вы, что представляют собой вирусы? Молекулу нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), заключенную в защитную белковую оболочку, называемую капсидом. Капсид выполняет не только защитную функцию. Он также обеспечивает прикрепление вируса к поверхности клеточных мембран благодаря наличию рецепторов, способных связываться с мембранными рецепторами клеток-мишеней. Капсид остается за пределами клетки, а нуклеиновая кислота вируса проникает внутрь и «переключает» клетку на производство вирусов. Паразитируя в клетках, вирусы нарушают их нормальную жизнедеятельность, вызывая болезни. Только в клетке вирус живет «полноценной», активной жизнью. Вне клетки он находится в неактивном состоянии. Вирусы поражают все живое: животных, растения, микроорганизмы.

Размеры вирусов очень малы, поэтому их величину измеряют не в микронах (миллионных долях метра), а в нанометрах (миллиардных долях метра). «Мелкий» вирус полиомиелита имеет размер около 20 нм, а «гигантский» вирус желтухи свеклы – 1500 нм. Одну клетку могут заселять одновременно несколько десятков вирусов.

Одни ученые считают вирусы особой, неклеточной формой жизни, а другие – всего лишь «неживыми» комплексами органических молекул, которые способны взаимодействовать с живыми организмами.

С одной стороны, вирусы могут реализовывать свою наследственную информацию, то есть воспроизводиться, только после внедрения в клетки за счет использования клеточных ресурсов. Своего обмена веществ у вирусов нет, за пределами клетки они неактивны.

С другой стороны, вирусы имеют собственный наследственный материал, они способны к размножению (пусть и внутри клетки-хозяина) и эволюционируют путем естественного отбора, что позволяет отнести их к живым организмам.

Хорошо подходит к вирусам поэтичное определение «организмы на краю жизни». В шутку биологи говорят о вирусах так: «Они живые, но не совсем».

Схематическое изображение различных вирусов

Вирусы служат одним из инструментов генной инженерии, о которой мы поговорим после того, как ознакомимся с основами генетики.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Для выживания биологического вида⁸ имеет значение не только скорость размножения, но и качество потомства. Грубо говоря, выгоднее иметь одного полноценного, здорового потомка, чем десять «дефективных». «Упаковку» молекул ДНК в ядро можно сравнить с убиранием вещей в шкаф, где они будут защищены от разных случайных повреждений. Нахождение в ядре способствует лучшему сохранению бесценной наследственной информации. И вообще в отношении потомства работает принцип «лучше меньше, да лучше».

Глава 2
Гены и их свойства

Ген представляет собой участок молекулы ДНК, в котором закодирована последовательность синтеза одного конкретного белка или же одной конкретной РНК. Молекулы ДНК условно можно сравнить с книгами, а гены – с абзацами.

Один ген отвечает за синтез одного химического вещества, и потому он считается структурной и функциональной единицей наследственности – структурной как часть молекулы ДНК и функциональной, поскольку выполняет одну конкретную функцию. Впрочем, классическая концепция генетики («один ген – один белок – один признак») довольно условна и далеко не всегда верна, но об этом мы поговорим немного позже.

Примечательно, что термин «ген» появился в 1909 году, задолго до того, как ученые узнали о свойствах и структуре ДНК. Изначально ген был условным понятием, обозначающим нечто, определяющее один конкретный признак организма. Ученым был нужен термин, определяющий единицу наследственности. Без этого термина невозможно было выстраивать гипотезы и вести научный поиск.

Кстати говоря, с атомами произошла такая же история. Понятие об атоме как о наименьшей неделимой частице материи впервые было сформулировано еще древнегреческими и древнеиндийскими философами. Научные же определения понятий молекулы и атома были приняты только в 1860 году. А приемлемая с научной точки зрения модель атома появилась лишь в 1913 году. Таким образом, атом не имел четкого научного объяснения более двух тысяч лет, что не мешало оперировать этим понятием!

Логическим путем ученые пытались установить количество генов человека. Данные «широко плавали» – от ста тысяч до миллиона, но все сходились на том, что генов очень и очень много, а оттолкнувшись от этого, приходили к выводу, что носителями наследственной информации должны быть белки, а не ДНК.

Молекулы многих белков по своим размерам могут сравниться с молекулами ДНК, но при этом они состоят из двадцати разных аминокислот⁹, а молекулы ДНК образованы четырьмя нуклеотидами (выделять составные части гигантских молекул ученые научились гораздо раньше, чем изучили их структуры). «Двадцать аминокислот дают несравнимо большее количество комбинаций, чем четыре нуклеотида, следовательно, носителями наследственной информации являются белки», – говорили сторонники белковой природы гена, и это утверждение трудно было оспорить. В то время (первая половина ХХ века) никто и помыслить не мог о том, что счет нуклеотидам в молекуле ДНК может идти даже не на миллионы, а на сотни миллионов! Да, наследственная информация записана всего четырьмя буквами, но в очень и очень толстых книгах.

Так сколько же у нас генов? В наше время принято считать, что у человека их около двадцати тысяч. Всего-навсего…

Знакомо ли вам выражение «и на старуху бывает проруха»? Такая вот «проруха» произошла с создателем эволюционной теории Чарльзом Дарвином, который первым попытался всерьез разобраться в принципах наследственности и объяснить, как именно происходит наследование признаков от родителей.

Предупреждение: дальше читайте не просто внимательно, а очень внимательно, потому что за описанием гипотезы Дарвина последует вопрос.

Для объяснения механизма наследственности Дарвин придумал геммулы, некие гипотетические частицы, обеспечивающие наследование признаков. Эти самые геммулы, по мнению ученого, образовывались во всех клетках организма, а затем поступали в кровь и с током крови доставлялись в половые железы. Каждая «новорожденная» половая клетка получала полный набор геммул от всех клеток организма, иначе говоря – получала всю наследственную информацию, которая затем передавалась потомству.

Предположение Дарвина выглядело весьма логично. К тому же оно объясняло наследование приобретенных признаков. Изменившиеся клетки (суть нового признака заключается в изменении клеток) вырабатывают новые геммулы, отличающиеся от тех, которые они вырабатывали прежде.

По неизвестным нам причинам Дарвин не удосужился получить практическое подтверждение своей гипотезы. То ли другие дела помешали, то ли гипотеза казалась ему настолько крепкой, что проверять ее на практике не было необходимости.

А теперь вопрос: как бы вы проверили дарвиновскую гипотезу?

Примечание. Вы ученый-биолог. У вас есть лаборатория со всем необходимым, а также есть возможность использовать подопытных животных, ваши возможности практически неограниченны. Cтарайтесь, чтобы ваш эксперимент был как можно проще. Незачем усложнять, если можно обойтись без этого.

Идем дальше. Пора нам познакомиться с геном поближе, узнать о его свойствах.

Главным свойством гена является его дискретность. Это слово можно перевести как «обособленность». Каждый ген существует сам по себе. Гены не могут соединяться друг с другом и в результате образовывать новый ген. Одни гены могут подавлять другие, не давая им возможности выполнять свою функцию, но не могут с ними соединяться. Ген един и неделим! Именно дискретность делает ген структурной и функциональной ЕДИНИЦЕЙ наследственности.

Из дискретности логически вытекает другое свойство генов – их стабильность. Гены способны функционировать, не изменяя собственной структуры. Каким ген был, таким он и остается после считывания с него наследственной информации.

Однако в то же время стабильность генов сочетается с их лабильностью – способностью изменяться.

Напрашивается вопрос: «Как ген может одновременно быть и стабильным, и лабильным?! Это же взаимоисключающие понятия!».

Да, взаимоисключающие. Но, тем не менее, гену присущи оба этих свойства.

Давайте разбираться. Сам по себе, как структурная единица, как фрагмент молекулы ДНК, ген стабилен. В процессе выполнения своих функций ген никак не изменяется.

Изменяется ген при копировании молекулы ДНК или же при ее повреждении. Мы еще будем говорить об этом, а пока что важно усвоить следующее – гены способны изменяться в результате каких-то «глобальных» процессов, происходящих со всей молекулой ДНК. Но сам по себе ген стабилен. Во время работы, то есть во время считывания информации, с ним ничего не происходит.

Одни и те же гены, то есть гены, отвечающие за развитие одного признака, могут существовать в различных формах, которые называются аллелями (не путайте аллели с аллеями!). Обычно аллельных генов два, один получен от матери, а другой – от отца. По каждому кодируемому признаку мы имеем парный набор генов.

Аллельные гены могут подавлять друг друга, то есть блокировать считывание информации с парного гена. Так, например, ген карих глаз подавляет ген голубых глаз. Если у отца глаза карие, а у матери и ее родителей – голубые, то у ребенка будут карие глаза. В свое время мы рассмотрим принципы наследования признаков более подробно. Пока что надо запомнить, что одни и те же гены могут существовать в различных формах (аллелях) и что аллельные гены могут друг друга подавлять. Кто кого подавляет, предопределено изначально, а не определяется конкретной ситуацией. Иначе говоря, ген карих глаз будет подавлять ген голубых глаз у всех людей.

Конкуренция в рамках пары генов приводит к тому, что одни признаки наследуются от отца, а другие от матери. Но при этом никогда в наследовании не будет половинчатости! Невозможно унаследовать один признак наполовину от матери и наполовину от отца, потому что гены не смешиваются друг с другом даже в парах, отвечающих за один и тот же признак. Гены никогда не смешиваются! Образно говоря, у ребенка голубоглазой матери и кареглазого отца будут голубые (в отдельных случаях такое возможно, и мы это в свое время обсудим) или карие глаза, но не темно-голубые или светло-карие.

«Сила» гена, его способность подавлять парный ген, называется экспрессивностью. Экспрессивность определяет степень выраженности гена в кодируемом им признаке. Чем ген экспрессивнее, тем сильнее он подавляет своего аллельного собрата.

Гены специфичны, каждый ген кодирует синтез одного конкретного белка, то есть отвечает за один определенный признак. Один ген – один белок – один признак… Однако настало время внести уточнение в это утверждение.

Предупреждение: читаем вдумчиво и ничему не удивляемся! Не бойтесь, что поначалу в голове образуется какая-то «каша», к концу этой главы вся «каша» разложится по тарелочкам!

Некоторые гены обладают множественным действием, то есть способностью влиять на несколько признаков. Такая «многогранность» называется плейотропией.

Плейотропия может быть первичной или вторичной.

При первичной плейотропии один ген на самом деле влияет на несколько признаков. Например, у человека ген, определяющий рыжую окраску волос, одновременно обуславливает более светлую окраску кожи и наличие на ней веснушек.

При вторичной плейотропии ген, по сути дела, влияет на один признак, от которого напрямую зависит несколько других признаков. Классическим примером вторичной плейотропии является нарушение синтеза белка крови гемоглобина, приводящее к развитию заболевания, называемого серповидноклеточной анемией. «Дефективный», то есть измененный ген, вызывает нарушение синтеза гемоглобина и на этом «умывает руки». Дальше действует «дефективный» гемоглобин, который приводит к таким вторичным проявлениям, как невосприимчивость к малярии, анемия,¹⁰ увеличение печени и селезенки, поражение сердца и головного мозга.

Важно понимать, что правилу «один ген – один белок – один признак» плейотропия совершенно не противоречит. Белок-то в результате считывания информации с гена вырабатывается один, просто он может принимать участие в нескольких процессах, происходящих в организме. Давайте скажем так: «один ген – один белок (или одна РНК)», и эта концепция будет верной для любого, без исключения. Вы с этим согласны? Наверное, согласны, ведь с помощью одной матрицы два разных вещества не наштампуешь…

А знаете ли вы, сколько разновидностей белков синтезируется в организме человека? Более ста тысяч! А генов у нас, как вы уже знаете, примерно впятеро меньше. Получается, что в среднем один ген должен обеспечивать синтез пяти белков. Но матрица-то одна! Код один!

Да, матрица одна, честное слово, одна. А «продуктов», тем не менее, она дает несколько.

Как понимать такой «парадокс»?

Обратите внимание на то, что слово «парадокс» взято в кавычки, потому что на самом деле никакого парадокса нет. Генетика парадоксов не признает, а если что-то и кажется нам парадоксом, так это от недостатка знаний.

Внимание! Сейчас мы с вами прикоснемся к самым сокровенным тайнам генетики и узнаем, что представляет собой уникальный процесс, который называется альтернативным сплайсингом.

Слово «альтернативный» означает, что явление содержит альтернативу, то есть допускает одну из нескольких возможностей. А термин «сплайсинг» образован от английского слова «сплайс», означающего сращивание или склеивание концов.

Альтернативный сплайсинг представляет собой процесс вырезания определенных фрагментов из молекулы матричной РНК в ходе процесса ее созревания. Разумеется, ничего общего с созреванием плодов и ягод созревание РНК не имеет. Суть этого процесса заключается в том, что из молекул РНК вырезаются лишние, ненужные участки, не участвующие в синтезе белка. Эти лишние участки образуются как вспомогательные в ходе «сборки» молекулы РНК на ДНК-матрице. В процессе синтеза РНК они играют определенную роль, а в готовой матрице только мешают. Чисткой матричной РНК, как и прочими делами, связанными с молекулами нуклеиновых кислот, занимаются специальные ферменты – РНК или белки.

Иногда после удаления ненужного фрагмента разрезанная молекула РНК может быть «сшита» с пропуском какого-либо нужного, активного участка. Такие «ошибки» приводят к тому, что на сшитой матрице РНК синтезируется другой белок, а не тот, для синтеза которого матрица изначально предназначалась.

Один ген – одна изначальная матрица – разные белки. Спасибо альтернативному сплайсингу! И при этом правило «один ген – один белок» по сути не нарушается, ведь первоначальная РНК-матрица никаких отклонений от заданного кодом стандарта не имеет.

Обратите внимание на то, что альтернативный сплайсинг является контролируемым процессом, а не стихийно-хаотическим. Да, разумеется, иногда в процессе созревания молекул РНК могут происходить случайные ошибки, являющиеся одним из проявлений изменчивости, но в целом сплайсинг находится под неусыпным наблюдением системы белков, называемых факторами сплайсинга. «Ошибки» альтернативного сплайсинга на деле таковыми не являются, поскольку они заранее запрограммированы и позволяют «экономить» – синтезировать несколько белков на основе одного генетического кода. Без альтернативного сплайсинга наш генетический материал был бы впятеро больше.

Допустим, что вы инженер-строитель и застраиваете целую улицу однотипными домами по одному-единственному проекту. Но всякий раз перед началом строительства ваши помощники вносят в проект определенные изменения, благодаря которым дома получаются не однотипными, а индивидуальными. Вы контролируете своих помощников и приступаете к строительству только после того, как убедитесь, что изменения не повредят делу. То есть ваш сплайсинг безопасен и полезен, потому что в результате улица получается не уныло-однотипной, а красивой. Это же совсем не то, если нерадивые строители сделают что-то не по технологии и в результате постройка обрушится.

Об инженерах и помощниках мы заговорили не случайно, потому что по выполняемым функциям все гены подразделяются на структурные и функциональные. Структурные гены можно сравнить с рабочими, а функциональные – с инженерами-начальниками.

Простые рабочие парни – структурные гены – содержат информацию о белках или РНК, которую они добросовестно передают по назначению. Функциональные гены регулируют работу структурных генов, можно сказать – руководят ими. В зависимости от вида регуляции функциональные гены подразделяются на гены-модуляторы, гены-регуляторы и гены-операторы.

Гены-модуляторы усиливают или ослабляют действие структурных генов. Те, которые ослабляют, называются ингибиторами¹¹, а те, которые усиливают, – интенсификаторами.

Ген-оператор «включает» и «выключает» структурные гены для считывания с них информации. Гены «включаются» при необходимости, а не работают постоянно. Ген-оператор можно сравнить с бригадиром, который руководит рабочими на месте. Бригаде генов помогает высококвалифицированный мастер – фермент РНК-полимераза, который запускает процесс синтеза РНК.

Ген-регулятор руководит работой гена-оператора. Он содержит информацию, на основе которой синтезируется особый белок-репрессор, блокирующий ген-оператор. Как только потребность в производимом продукте удовлетворяется, ген-регулятор останавливает работу операторов, а при необходимости запускает ее снова.

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, как именно происходит блокировка или нейтрализация действия химических веществ в живых организмах? Путем связывания молекул блокирующих белков с их молекулами. Можно сказать, что белковая молекула обхватывает молекулу блокируемого вещества «руками и ногами» и таким образом не дает ему выполнять свои функции. Кстати говоря, точно так же работают и антитела – белки иммунной системы, вырабатываемые против чужеродных агентов. Стоит только антителу прикрепиться к вирусу, как тот «выпадает в осадок», теряет способность проникать в клетки.

На сегодняшний день принято считать, что примерно 94 % генов человека подвержено альтернативному сплайсингу. Сплайсинг не только позволяет «экономить» гены, но и тщательнее контролировать синтез белков и РНК, ведь добавление дополнительных этапов повышает уровень контроля.

Имейте в виду, что альтернативный сплайсинг может проявляться не только удалением каких-то функционирующих участков РНК-матрицы, но и оставлением в ней вспомогательного участка, который, по идее, нужно было бы удалить.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Гипотеза геммул была опровергнута посредством эксперимента, который поставил двоюродный брат Чарльза Дарвина Фрэнсис Гальтон. Он переливал кровь от кроликов с темной окраской шерсти кроликам со светлой шерстью. По логике геммулы темной окраски, якобы содержащиеся в перелитой крови, непременно должны были попасть в половые железы кроликов со светлой шерстью и проявить себя в их потомстве. Однако потемнения шерсти у потомства не произошло. Так было доказано, что никаких геммул не существует.

Глава 3
«Ядерная» генетика

Не удивляйтесь, пожалуйста, названию этой главы, в которой пойдет речь о клеточных ядрах и том, что с ними связано.

Ядро клетки хранит наследственную информацию и участвует в делении клетки. Выше мы сравнивали клеточное ядро со шкафом, в котором хранятся молекулы ДНК, но это сравнение не совсем точное, то есть слишком условное, подходящее для обсуждения темы на бытовом уровне. Но теперь-то мы с вами сильно продвинулись вперед, даже с альтернативным сплайсингом ознакомились, и потому можем считать себя продвинутыми генетиками. Потому и разговор у нас будет продвинутый.

Клеточное ядро образовано собравшимися вместе молекулами ДНК. Как только эти молекулы разойдутся в стороны, ядро исчезнет, а как только соберутся снова – появится вновь. Молекулы ДНК находятся в ядре в виде так называемых хромосом – комплексов, образованных молекулами ДНК, РНК и белков. Огромной молекуле ДНК нужны слуги, которые будут ее обслуживать. Каждая молекула имеет свою «свиту», которая сопровождает ее повсюду. Обратите внимание на то, что хромосомы являются не только хранилищем наследственной информации, но и самостоятельно функционирующими биологическими структурами, фактически – органеллами¹², а не молекулами. Так, например, гомологичные хромосомы при определенных условиях могут обмениваться друг с другом своими участками. Этот процесс называется кроссинговером, и мы с ним в свое время ознакомимся.

«Хромосома» в переводе с греческого означает «окрашенное тело». Такое название хромосомы получили благодаря своей способности связывать некоторые красители, используемые для приготовления микроскопических препаратов, проще говоря – за способность к окрашиванию.

У каждого биологического вида в норме должно быть строго определенное число хромосом. У человека их сорок шесть или двадцать три пары. Последняя, двадцать третья, пара (нумерация, как вы понимаете, условна) определяет пол человека. Хромосомы, одинаковые у мужских и женских организмов, называются аутосомами, а хромосомы, комбинация которых определяет пол, называются половыми хромосомами.

Мужские половые хромосомы принято обозначать как XY¹³, а женские – XX. Посмотрите на рисунок, и вы увидите, что половые хромосомы получили обозначение по сходству с соответствующими буквами латинского алфавита.

Хромосомный набор человека

Половых хромосом может быть и больше одной пары. Так, например, утконос имеет пять пар половых хромосом. Мужской пол у утконоса задается комбинацией XYXYXYXYXY, а женский – XXXXXXXXXX.

Набор хромосом, присущий представителям данного биологического вида, называется видовым кариотипом (или просто кариотипом).

Набор хромосом данного конкретного организма называется индивидуальным кариотипом.

Совокупность внешних и внутренних признаков организма, которая определяется кариотипом, то есть наследственной информацией, называется фенотипом, а отдельный генетически обусловленный признак организма – феном. Каждый фен определяется отдельным геном.

Совокупность всех генов организма называется генотипом. Совокупность внешних признаков организма называют фенотипом.

Генотип – это совокупность всех генов, а кариотип – совокупность хромосом, в которых эти гены содержатся. Можно сказать, что генотип выглядит как кариотип и определяет фенотип.

Запомнили? Идем дальше!

Совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом представителя биологического вида, называется геномом.

Совокупность всех генных вариаций конкретной популяции называется генофондом.

Давайте скажем проще, чтобы не путаться:

– у отдельного человека – генотип;

– у биологического вида Человек разумный (Homo sapiens) – геном;

– у гуанчи (коренных жителей Канарских островов) – генофонд; также иногда термин «генофонд» употребляется применительно к народам, этносам, расам.

В обычной клетке организма (такие клетки называются соматическими, т. е. телесными) содержится полный набор хромосом, который называется диплоидным. Набор этот парный. Одна хромосома в паре получена от матери, другая – от отца. Хромосомы, образующие пару, называются гомологичными. А вот половые клетки, по-научному называемые гаметами, содержат половину диплоидного набора – по одной хромосоме из каждой пары. Такой набор называется гаплоидным. Соединяясь вместе, материнская и отцовская половые клетки объединяют два своих гаплоидных набора в один диплоидный.

Обратите внимание на то, что в любой соматической клетке одного и того же организма содержится один и тот же набор хромосом, то есть один и тот же набор ДНК, образовавшийся при оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом. Каждая клетка организма получает полный набор наследственной информации, но использует только ту часть, которая непосредственно нужна ей.

В мужском кариотипе содержатся две разные половые хромосомы (X и Y), а в женском – две одинаковые (XX). Соответственно, сперматозоиды, мужские половые клетки, могут иметь разные половые хромосомы – X или Y, а яйцеклетки – только Х-хромосому, Y-хромосоме там взяться неоткуда. Таким образом, пол ребенка определяет сперматозоид, оплодотворяющий яйцеклетку.

Вот цифры, которые дают представление о том, насколько компактной является упаковка молекулы ДНК в хромосому. Молекулы ДНК, если кто не в курсе, являются наибольшими из известных науке гигантских молекул. Длина молекулы ДНК самой крупной хромосомы человека (в наборе она идет под первым номером) достигает без малого восьми сантиметров, а общая длина всех молекул ДНК одной человеческой клетки составляет около двух метров! Если разделить два метра на сорок шесть (число хромосом, то есть число молекул ДНК у человека), то получим среднюю длину человеческой молекулы ДНК примерно в четыре с половиной сантиметра. А хромосомы можно разглядеть только в микроскоп!

Несмотря на то что человек считается венцом природы, хромосом у нас с вами не очень-то и много. У собак их семьдесят восемь, у камчатского краба 254, а у некоторых одноклеточных более тысячи! Количество хромосом в клетке живого организма никак не связано с уровнем его организации. А вот с чем оно связано, пока еще неизвестно.

Примечательно, что у наших ближайших родственников (гориллы, орангутана и шимпанзе) по двадцать четыре пары хромосом, а не двадцать три, как у нас с вами. Считается, что наша вторая хромосома образовалась из двух хромосом наших далеких предков.

Для клетки нет ничего важнее наследственной информации. Во время деления нужно правильно разделить наследственный материал между дочерними клетками. Соматические клетки должны получить полный диплоидный набор, не больше и не меньше, а ровно столько, сколько положено, а половые клетки – гаплоидный. Нехватка одной хромосомы или лишняя хромосома чреваты нежелательными последствиями, вплоть до фатальных. Но нарушение нормального количества хромосом при делении соматических клеток не так уж и страшно – погибнут или не смогут осуществлять деление всего лишь две дочерние клетки. А вот аномальное количество хромосом в половых клетках приводит к различным заболеваниям, а то и к гибели нового организма, образовавшегося при слиянии сперматозоида и яйцеклетки.

Наиболее распространенным и самым известным нарушением кариотипа является синдром Дауна, при котором к 21-й паре хромосом добавляется еще одна хромосома. Этот синдром получил название в честь британского врача Джона Дауна, впервые описавшего его в 1866 году. Однако природа этого заболевания, связанная с врожденным изменением количества хромосом, была выявлена лишь в 1959 году. Почти целое столетие врачи не понимали, с чем именно они имеют дело.

С нехваткой хромосом все понятно – отсутствие хромосомы лишает организм информации о синтезе определенных белков, и такой дефицит ни к чему хорошему привести не может. Но чем опасна лишняя молекула ДНК? Как говорится, много – это вам не мало. Однако же мешает, причем довольно сильно. Для синдрома Дауна характерно свыше трех десятков специфических признаков, проявляющихся с различной частотой, начиная с умственной отсталости и заканчивая врожденным лейкозом, злокачественным заболеванием кроветворной системы. Одна лишняя хромосома – и столько серьезных проблем. Почему так происходит?

Дело в том, что любой живой организм представляет собой сбалансированную систему, в которой все, как говорится, «отточено до мелочей» и любое нарушение баланса чревато нехорошими последствиями.

Представьте себе дом, в котором живут сорок шесть семей. У каждой семьи есть кухарка, которая готовит еду, и горничная, которая следит за порядком в квартире. А еще в доме живет дворник, который подметает двор и следит за тем, чтобы все коммуникации функционировали нормально, чтобы крыша не протекала и т. п. Кухарка и горничная дворнику не требуются, поскольку он привык обслуживать себя сам.

Дом, который вы себе сейчас представили, – это человеческая клетка с сорока шестью хромосомами.

В один злополучный день алчный домовладелец вселяет в квартиру к дворнику еще одну семью. Невелика шишка дворник, он и в прихожей спать может или, скажем, в подвале. А вот лишние жильцы приносят домовладельцу дополнительную прибыль. Кухарку и горничную новым жильцам домовладелец не нанимает, считая, что имеющаяся в доме прислуга запросто сможет обслуживать сорок седьмую семью по очереди. В дополнение к своим основным обязанностям, так сказать…

Что получится в результате?

Ежедневно какая-то из семей-старожилов будет плохо обслуживаться, потому что их прислуге придется «работать на два фронта». Кухарка и горничная станут выполнять свои обязанности кое-как, наспех, ведь им же нужно еще одну семью обслужить… Завтрак запоздает, на обед вместо трех блюд будет подано два, а то и одно, про ужин кухарка впопыхах может вообще забыть. Горничная вместо нормальной уборки ограничится «сдуванием пыли». И так по кругу, каждый день, в каком-то из семейств старожилов… О том, каково придется новым жильцам, лучше вообще не думать. Их будут обслуживать кое-как, поскольку для прислуги они являются обузой. Да и дворник будет постоянно высказывать им свое недовольство, мол, из-за вас меня лишили моей уютной квартирки. В знак протеста дворник станет халатно относиться к своим обязанностям. В результате трубы в доме начнут протекать, в электропроводке часто будут случаться замыкания, чистый двор превратится в грязный… В конечном итоге бизнес алчного домовладельца может серьезно пострадать.

И точно так же страдает из-за появления одной дополнительной хромосомы жизнедеятельность всего организма. Лишняя хромосома (лишняя молекула ДНК) есть, а сил и средств на ее «обслуживание» нет. Давайте вспомним, что каждая молекула ДНК «обслуживается» комплексом белков и ферментов, обеспечивающих считывание информации для синтеза РНК-матриц и последующий синтез белков на этих матрицах. Для дополнительной хромосомы «обслуга» не предусмотрена, возникает дисбаланс, и начинаются сбои в считывании информации с других молекул ДНК… Вот если бы было можно совсем не обращать внимания на лишнюю хромосому, то никаких проблем бы не было, но такой возможности у организма не существует. Все живое «запрограммировано» природой на максимально полное считывание наследственной информации.

Деление клеток представляет собой весьма интересный процесс, который условно можно сравнить с балетом, в котором каждое движение танцоров-хромосом расписано заранее. «Каждую секунду в нашем теле сотни миллионов неодушевленных, но очень дисциплинированных маленьких балерин сходятся, расходятся, выстраиваются в ряды и разбегаются в разные стороны… словно танцоры на балу, исполняющие сложные па старинного танца. Это древнейший танец на Земле – Танец Жизни. В таких танцах клетки тела пополняют свои ряды, благодаря чему мы растем и существуем…». Так поэтично описывал деление клеток американский генетик Генри Меллер, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Почему-то принято считать деление клетки скучной и малопонятной темой. На самом деле все совершенно не так. Это увлекательно и предельно ясно! Сейчас вы убедитесь в этом сами.

Наверное, не нужно уточнять, что соматические и половые клетки образуются разными способами, ведь в первом случае дочерние клетки получают от материнской полный диплоидный набор хромосом, а во втором – половинчатый гаплоидный. Мы начнем с деления соматических клеток, которое называется митозом. С греческого это слово переводится как «нить».

При чем здесь нить?

О, здесь присутствуют не только нити, но и веретено. Впрочем, давайте не будем забегать вперед…

Митоз, или непрямое деление, представляет собой наиболее распространенный способ воспроизводства эукариотических клеток, то есть клеток, имеющих ядро.

Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении хромосом между дочерними клетками. Кстати, а знаете ли вы, в чем заключается биологический смысл жизни любого организма? В оставлении потомства, в поддержании существования своего биологического вида. Смысл жизни клетки в том, чтобы как можно скорее разделиться на две дочерние. Однако к такому серьезному процессу, как деление, нужно основательно подготовиться – поднакопить нужные ресурсы, «скопировать» хромосомы. Период подготовки к делению, то есть промежуток между двумя делениями, называется интерфазой (промежуточной фазой). В интерфазе хромосомы находятся в клеточном ядре в виде тонких нитей и не различимы в оптический микроскоп. Можно увидеть только само ядро.

Когда подготовка заканчивается, настает время митоза.

Первая фаза митоза, называемая профазой (предварительной фазой), является наиболее продолжительным периодом деления. Начинается она с того, что нити-хромосомы утолщаются и сворачиваются в спираль. Хромосомы удвоились еще в интерфазе, но пока что они соединены попарно перемычками, называемыми центромерами. Сдвоенные хромосомы имеют вид буквы «Х» с центромерой посередине. Центромеры нужны для того, чтобы правильно поделить хромосомы между дочерними клетками. Можно рассматривать их как скрепки, соединяющие распечатанный лист с его копией.

Хромосома

В профазе исчезает ядерная мембрана, оболочка, отделяющая ядро от цитоплазмы, полужидкой внутриклеточной среды. Хромосомы вырываются из ядра на свободу и рассредоточиваются по всей клетке. Сейчас их можно увидеть с помощью оптического микроскопа.

Центриоли

Ясное дело, что в этом хаосе нужно навести порядок. Хромосомы, пусть даже и связанные попарно, не должны «шляться» по клетке без присмотра. Так, чего доброго, их и не удастся поделить поровну. Но, к нашему общему счастью, в клетке есть парные органеллы, которые называются центриолями. Это такие цилиндрики, состоящие из девяти пучков микроскопических трубочек. В интерфазе центриоли располагаются в центре клетки, на условном экваторе, и потому получили такое «центровое» название.

Время действовать наступает в конце профазы, когда центриоли расходятся от экватора в противоположные стороны, образуя два полюса. Хромосомам остается совсем недолго наслаждаться свободой (если они вообще способны ею наслаждаться). Во второй фазе митоза, которая называется метафазой (это название можно перевести как «промежуточная фаза»), разошедшиеся к полюсам центриоли выпускают микротрубочки, которые прикрепляются к хромосомам и образуют так называемое «веретено деления». Эта конструкция и впрямь похожа на веретено – от полюсов к расположившимся на экваторе хромосомам тянутся трубочки.

Образование веретена деления (оно видно на среднем рисунке) и разделение хромосом

Каждая центриоль образует микротрубочки по числу хромосом.

К каждой паре хромосом тянутся микротрубочки от разных центриолей, от «северного» и «южного» полюсов. Каждая микротрубочка прикрепляется к одной хромосоме из пары. Так нужно для честного дележа хромосом между двумя дочерними клетками.

Суть метафазы заключается в образовании веретена деления. Как только оно образовано, начинается третья фаза митоза, которая называется анафазой (фазой разделения). В анафазе разрушаются центромеры, и хромосомы, подтягиваемые сокращающимися микротрубочками, расходятся к полюсам клетки. Дележ ценного имущества произведен, дочерним клеткам осталось только разделиться окончательно, что и происходит в заключительной, четвертой фазе митоза, которая называется телофазой (заключительной фазой). У полюсов хромосомы раскручиваются в нити и собираются в ядра, а в экваториальной зоне клетки образуется перетяжка, которая в конечном итоге разделит клетку надвое. Так вместо одной материнской клетки появляются две дочерние. Процесс деления завершается, и наступает интерфаза – подготовка к следующему делению.

Митоз клеток нашего организма длится от получаса до часа. На протяжении всей жизни в нашем теле осуществляется примерно сто триллионов клеточных делений. Сто триллионов – это десять в четырнадцатой степени, 100 000 000 000 000! Есть такая шутка: «Даже когда я сплю, я очень занят на клеточном и молекулярном уровнях». Так оно и есть: в живых организмах постоянно протекают химические реакции и происходит деление клеток.

Все проще простого и даже еще проще, не так ли?

Ядро разрушается, удвоенные хромосомы рассредоточиваются по цитоплазме. Это раз.

Центриоли расходятся от экватора к полюсам и протягивают свои «щупальца» к хромосомам. Это два.

Перемычки-центромеры разрушаются, и хромосомы расходятся к полюсам. Это три.

Поделенные хромосомы образуют ядра, а на экваторе образуется разделяющая перетяжка, которая отделит одну дочернюю клетку от другой. Это четыре. В балете под названием «Митоз» четыре акта.

А вот в балете под названием «Мейоз», в результате которого образуются половые клетки (сперматозоиды и яйцеклетки), актов…

Сколько?

Так и хочется ответить: «тоже четыре, только без предварительного удвоения хромосом», но на самом деле актов не четыре, а восемь!

Да, восемь! Мейоз включает в себя два последовательных этапа деления клеток. Первое деление клеток происходит с удвоением числа хромосом, но в процессе деления центромеры не разрушаются и хромосомы не отделяются от своих копий! В результате обе дочерние клетки получают от материнской спаренные хромосомы, скрепленные центромерами.

Обратите внимание на одно очень важное обстоятельство. Из каждой пары гомологичных хромосом в дочерние клетки попадает по одной хромосоме вместе с ее копией, прикрепленной посредством центромеры. Перед началом митоза или мейоза в результате удвоения хромосом мы имеем по две пары в каждой гомологичной паре (каламбур неуклюжий, но какой уж есть). Во время первого этапа мейоза гомологичные пары разбиваются, но хромосомы не отделяются от своих копий. Так что нельзя ставить знак равенства между первым этапом мейоза и митозом, это разные процессы.

Мейоз

Практически сразу же по окончании первого этапа деления начинается второй, перед которым не происходит удвоения числа хромосом. Тут уж все идет как во время митоза, с разрушением центромер.

В результате мейоза из одной материнской клетки с полным набором хромосом образуются четыре дочерних клетки с половинным набором хромосом. В процессе оплодотворения, при слиянии сперматозоида и яйцеклетки, восстанавливается полный набор хромосом.

Деление безъядерных прокариотических клеток, например – бактерий, происходит гораздо проще. Единственная молекула ДНК, находящаяся в цитоплазме в свободном, «неупакованном» виде, самокопируется, затем обе копии расходятся к полюсам, а на экваторе образуется перегородка, которая впоследствии расслаивается, или же углубляющаяся внутрь перемычка, как при мейозе и митозе.

Деление прокариот

А теперь, пожалуйста, ответьте на такой вопрос: какой из двух типов клеточного деления – митоз или мейоз – имеет эволюционное значение? Иначе говоря, какой тип деления способствует развитию жизни на нашей планете?

В клетках существуют структуры, обладающие собственной ДНК, иначе говоря – имеющие персональную наследственную информацию. Это митохондрии и хлоропласты.

Митохондрии представляют собой своеобразные энергетические станции клетки. Обычно в клетке содержится около двух тысяч митохондрий, общий объем которых может доходить до четверти объема всей клетки. Митохондрии имеют сферическую или эллипсоидную форму. Внешняя мембрана митохондрии гладкая, а внутренняя – складчатая, образующая множество поперечных перегородок, называемых «кристами».

Строение митохондрии

В митохондриях подвергаются окислению органические вещества, поступающие в клетку извне. При этом образуются молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), накапливающие энергию в своих химических связях. Молекула АТФ – это своего рода клеточный аккумулятор, при возникновении потребности в энергии ее можно расщепить.

Хлоропласт в разрезе

Митохондрии есть как в животных, так и в растительных клетках, а хлоропласты только в растительных. Хлоропласты осуществляют фотосинтез – процесс преобразования энергии видимого света в энергию химических связей органических веществ. Их зеленая окраска обусловлена высоким содержанием хлорофилла, основного пигмента фотосинтеза.

Благодаря наличию собственной ДНК митохондрии и хлоропласты способны самостоятельно синтезировать определенные белки. Однако информация о большей части белков митохондрий и хлоропластов содержится в клеточном ядре. Полной самостоятельностью эти органеллы не обладают.

Каким образом митохондрии с хлоропластами смогли получить индивидуальные молекулы ДНК, объясняет симбиотическая теория, согласно которой митохондрии и хлоропласты являются потомками бактерий, бывших симбионтами эукариотической клетки-праматери. Давайте вспомним, что симбиозом называется форма взаимоотношений между живыми организмами, при которой оба партнера-симбионта или только один из них извлекает пользу из другого¹⁴. Внедрились мелкие симбионты в крупную клетку-партнера и постепенно стали ее неотделимой частью…

Обратите внимание на то, что гены, содержащиеся в ДНК митохондрий и хлоропластов, в геном обычно не включают. Понятие генома охватывает только ядерную ДНК.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Разумеется, эволюционное значение имеет мейоз, ведь из образующихся в ходе него половых клеток образуются новые организмы с уникальными индивидуальными наборами признаков. Значение митоза «замыкается» на уровне одного отдельно взятого организма, обновляющего свои клетки в течение жизни. А мейоз можно назвать «глобальным процессом».

Глава 4
Нюансы приспособления к условиям окружающей среды

Почему у жирафа такая длинная шея?

Так и хочется ответить: «Для того, чтобы дотягиваться до высоко расположенных на деревьях листьев и плодов». Эту гипотезу, кстати говоря, предложил в XIX веке французский биолог Жан-Батист Ламарк, автор весьма популярной в свое время эволюционной концепции, названной ламаркизмом.

Нет, мы не переключились на эволюцию. Мы продолжаем вести разговор о тайнах и законах генетики, а именно о том, каким образом происходит наследование приобретенных признаков. Это очень важный, можно сказать – принципиальный вопрос, своеобразный камень преткновения, о который в былые времена споткнулось множество ученых, а кое-кто продолжает спотыкаться о него и в наши дни.

Ламаркизм был первой стройной и целостной теорией эволюции живого мира. Ламарк признавал, что на форму и организацию живых организмов влияют факторы окружающей среды, которые он называл «обстоятельствами». Это совершенно верно. В процессе своего индивидуального развития, которое по-научному называется онтогенезом, все живое постоянно находится под воздействием различных факторов окружающей среды. Невозможно обитать в среде и быть свободным от ее влияния. Особи с одинаковым генотипом могут иметь разные фенотипы, если они обитают в разных условиях и на них воздействуют разные факторы окружающей среды.

Образно генотип можно сравнить с записью музыки на каком-либо носителе, а фенотип – с самой музыкой, которую мы слышим. Одна и та же музыка может звучать по-разному в зависимости от устройства, на котором она воспроизводится, к музыке могут примешиваться посторонние шумы, электромагнитные волны могут вызывать изменения звучания и т. п.

Варианты фенотипа в пределах одного и того же генотипа называют модификациями. Модификации могут носить приспособительный характер. Пожалуй, самыми распространенными и наиболее наглядными примерами приспособительной (или, как еще говорят, адаптивной) модификации у человека являются развитие, увеличение объема мышц при регулярной физической нагрузке и загар – потемнение кожи под воздействием ультрафиолетовых лучей, вследствие образования и накопления в ней пигмента меланина¹⁵.

Одно и то же растение может выглядеть по-разному в зависимости от того, растет оно высоко в горах или же в долине. Горные растения обычно низкорослые, с глубоко уходящими в почву корнями. Низкорослость и сильно развитая корневая система являются следствием низкого содержания питательных веществ в почве. Также на рост горного растения влияют такие условия, как более холодная температура воздуха и недостаток влаги. В долинах, где почва питательнее, влаги больше и воздух теплее, растения вырастают выше своих горных «собратьев», а вот их корневая система развита хуже. А зачем ее интенсивно развивать, если в поверхностном слое почвы достаточно питательных веществ и достаточно воды? Если растение растет в тени, то оно будет иметь более крупные, чем обычно, листья, чтобы улавливать как можно больше солнечного света, необходимого для фотосинтеза. А вот если растение растет в засушливой местности, то его листья будут мельче обычного размера, для того чтобы сохранить как можно больше воды (с поверхности листа испаряется вода). Рыбы, обитающие в крупных водоемах, где много пищи, заметно превосходят размерами своих собратьев из мелких, небогатых пищей водоемов.

Ошибка Ламарка заключалась в том, что он считал возможным передачу приобретенных в ходе жизни признаков по наследству. Если признак «упражняется», то есть активно используется, то он закрепится в потомстве, считал Ламарк. А если не «упражняется», то исчезнет. Жираф приспособился поедать высоко расположенные ветви, и потому у него удлинилась шея. Жираф ежедневно тянется к высоко растущим листьям, то есть постоянно «упражняет» свою шею, поэтому «длинношеесть» жирафа передается потомству. Вроде бы и логично, но в корне неверно.

Ламарк не был знаком с генетикой, в отличие от нас с вами. Но мы-то знаем, что по наследству могут передаваться только те признаки, которые «записаны» в молекулах ДНК. Сколько ни вытягивай шею, сколько ни накачивай мышцы, генотип от этого не изменится. С концепцией Ламарка хорошо гармонировала дарвиновская гипотеза о геммулах, но ее несостоятельность была доказана наглядно и убедительно.

Приспособительные модификации по наследству не передаются, поскольку они не влияют на генотип. Это первое.

Признаки, полученные в ходе приспособления к условиям окружающей среды, передаются по наследству. Это второе.

Оба утверждения верны. Это третье.

У вас голова идет кругом? Не волнуйтесь, это сейчас пройдет. Давайте сосредоточимся на втором утверждении, поскольку с первым мы вроде бы разобрались, и поговорим о механизме передачи приспособительных признаков потомству.

Наследственная информация может передаваться дочерним клеткам в несколько измененном виде. Например – был случайно пропущен какой-то фрагмент при копировании молекулы ДНК. Изменения, происходящие при делении соматических клеток, нас сейчас не интересуют, потому что они не выходят за пределы одного конкретного организма. А вот половые клетки передают измененную наследственную информацию потомству, в результате чего у потомков могут появляться новые признаки.

Обратите внимание на то, что изменения наследственной информации происходят случайно, спонтанно, без какого-либо плана и без какого-либо смысла. Появившиеся в результате изменений признаки могут быть нейтральными (то есть не полезными и не вредными), полезными или же вредными.

Возьмем для примера жирафа, хотя это довольно условный пример, поскольку на сегодняшний день среди ученых не существует единого мнения о факторах, вызвавших удлинение шеи жирафа. Но давайте останемся в рамках версии Ламарка – длинная шея позволяет лучше питаться, поедая то, что недоступно особям с короткой шеей.

Допустим, что изначально шея жирафа была такой же, как и у лошади. Жирафы питались травой и листвой кустарников, а то, что росло на деревьях, было им «не по зубам». Но вдруг, в результате случайного изменения одной из молекул ДНК, родилась особь с длинной шеей, позволявшей дотягиваться до веток деревьев. Эта особь не испытывала недостатка в пище, потому была крупной, сильной, прожила дольше других и активнее скрещивалась, в результате чего оставила больше потомства, чем другие, «обычные» особи. С теми ее потомками, которые унаследовали длинную шею, произошла та же самая история – они поспособствовали дальнейшему распространению гена длинной шеи в популяции жирафов. Со временем все жирафы стали относительно длинношеими. Но каждое изменение гена, приводившее к большему удлинению шеи, подхватывалось и закреплялось естественным отбором. В конечном итоге шея жирафа удлинилась до двух метров (это среднее значение на сегодняшний день).

Длинная шея – полезный признак для жирафа, а короткая – вредный. Особь с короткой шеей будет питаться недостаточно, вырастет слабой, не станет проявлять большой активности в спаривании, проживет не так долго, как обычные особи, и оставит меньше потомства. И с ее короткошеими потомками повторится такая же история. У вредного признака не может быть шансов на распространение в популяции. Естественный отбор вычеркивает вредные признаки.

Допустим, что один из жирафов родился с двумя парами рожек на голове вместо одной (такое иногда случается). Какая жирафу польза от лишней пары рожек? Никакой. Этот признак не будет закрепляться в потомстве, но и «вычеркиваться» тоже не будет. Время от времени станут рождаться отдельные особи с двумя парами рожек, но это будет исключением из общего правила.

С точки зрения наследственности, приспособление к условиям окружающей среды заключается в том, что выживают и дают потомство более приспособленные особи, а не в том, что полезные признаки и вообще все признаки, приобретенные организмом в течение жизни, могут передаваться потомству.

Отправной точкой в наследовании служит ген, а не признак!

Генотип определяет фенотип, но фенотип никак не влияет на генотип!

В конце XIX века немецкий ученый Август Вейсман опроверг концепцию Ламарка при помощи простого (хоть и жестокого) эксперимента. Вейсман разводил мышей, которым вскоре после рождения отрезал хвосты. Из поколения в поколение от бесхвостых мышей рождались хвостатые детеныши, хотя, согласно Ламарку, хвосты должны были исчезнуть, так как они не «упражнялись», не использовались мышами при жизни. Эксперимент Вейсмана длился четыре года и охватил 1592 мышей из 22 поколений, то есть был весьма убедительным.

Фенотип никак не влияет на генотип!

Классическим примером генетического абсурда была предложенная в свое время академиком Трофимом Лысенко¹⁶ переделка яровой пшеницы в озимую.

Надо сказать, что в отечественной истории был период (1933–1965 годы), когда генетика считалась лженаукой, а в естественных науках «правили бал» Лысенко и его сторонники, имевшие весьма своеобразные, если не сказать – абсурдные, понятия о наследственности и изменчивости.

Ряд растений подразделяется на озимые и яровые сорта. Озимые сорта высеваются осенью, потому что они требуют большего времени для созревания, а яровые – весной, поскольку они не выдерживают зимних холодов. Лысенко утверждал, что если зерну озимой пшеницы дать набухнуть и после выдержать его некоторое время при прохладной температуре (0–10 °C), то озимая пшеница превращается в яровую и может с успехом высеиваться весной. Хотите осуществить обратное превращение – сделать яровую пшеницу озимой? Нет проблем, высевайте ее по осени, а из того, что перезимует под снегом и взойдет весной, выводите озимый сорт.

Разумеется, никаких превращений с пшеницей на деле не происходило. Яровые сорта оставались яровыми, а озимые озимыми, несмотря на то что Лысенко и его сторонники демонстрировали успешные эксперименты по подобным «превращениям». На это можно сказать только одно – было бы желание, а результат подогнать всегда можно.

Если логически продолжить тему «воспитания» пшеницы, то можно дойти до возможности превращения ежа в ужа. А что тут такого сложного? Надо взять ежа и посадить в ящик (или нору), откуда можно будет выбраться только через узкий длинный ход, а еду и питье положить возле выхода. Голод, как известно, не тетка, а жажда – не мать родная. Захочет еж есть и пить и полезет наружу, потому что другого выхода у него нет. А для того, чтобы пролезть через узкий ход, ему придется сбросить иголки и вытянуться в длину – вот вам и уж!

Не передающиеся по наследству изменения фенотипа организма, возникшие под влиянием каких-то экстремальных факторов среды и не имеющие приспособительного характера, называются морфозами. Нередко морфозы выражаются в виде уродств. Примером могут служить отклонения в развитии плода, возникшие вследствие действия определенных химических веществ или радиационного излучения. Морфозы отличаются от приспособительных модификаций не только отсутствием приспособительного характера, но и своей необратимостью – они сохраняются на протяжении всей жизни организма.

Обратите внимание на то, что организм наследуетне признак как таковой, а способность формировать определенный фенотип в конкретных условиях среды. Амплитуда, в пределах которой может варьировать признак, называется нормой реакции.

Вот вам традиционный вопрос: морфозы находятся в пределах нормы реакции или же вне ее?

Чем бы вас удивить напоследок? А то как-то все чересчур складно выходит…

Вот вам любопытнейший факт. Если подвергать куколки колорадского жука нагреванию или охлаждению (в умеренных пределах, так, чтобы не вызвать их гибель), то у взрослых особей изменится окраска…

«Приспособительная модификация!» – скажете вы. На первый взгляд, так оно и есть, но это изменение окраски передастся потомству…

Есть над чем задуматься?

Измененная окраска будет проявляться в нескольких поколениях, а затем произойдет возврат к прежней окраске…

Нет, это не сказка, а чистая правда.

Изменение окраски под действием внешних факторов и относительно недолгое существование нового признака наводит на мысль о приспособительной модификации, которая исчезает после прекращения действия вызвавшего ее фактора. Так оно и есть. Действие пониженной или повышенной температуры вызывает изменения в цитоплазме клеток, которые приводят к нарушению репликации (копированию молекул ДНК) в митохондриях. В результате изменяется окраска взрослых особей. Ясно почему, нарушение репликации приводит к синтезу новых белков.

Генотип при этом не меняется, потому что относительно небольшие изменения температуры никак не отражаются на молекулах ДНК, хранящих наследственную информацию. Нарушается только процесс снятия копий с этих молекул. Копии получаются с дефектом, а оригиналы остаются неизменными. В описанном эксперименте мы имеем дело с так называемой длительной модификацией, с изменением фенотипа под воздействием факторов внешней среды.

Хорошо, пусть так. Но каким образом изменение фенотипа передается потомству в течение нескольких поколений?

На этот вопрос пока что нет внятного ответа. Но когда-нибудь он обязательно появится!

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Морфозы находятся вне нормы реакции, поскольку они не имеют приспособительного характера.

Глава 5
Хромосомная теория наследственности и кроссинговер

Наследственностью называется способность организмов передавать свои признаки и особенности развития потомству. Преемственность наследственных свойств обеспечивается передачей генетической информации из поколения в поколение, благодаря которой все живое охраняет в своем потомстве характерные видовые черты – страусы остаются страусами, дельфины – дельфинами, а огурцы – огурцами.

То, что дети похожи на своих родителей, было замечено давным-давно, и мудрецы древности пытались найти этому объяснение при помощи логики, ведь других инструментов у них не было.

Отец медицины Гиппократ предположил, что в мужских и женских зародышевых частицах (о клетках никто в пятом веке до нашей эры понятия не имел) скапливаются некие экстракты, определяющие индивидуальные особенности развития потомства. Похоже на дарвиновскую концепцию геммул, верно? А вот Аристотель, живший веком позже Гиппократа, считал, что наследственные свойства каждый организм получает от отца в виде некоего духовного, нематериального начала, в виде особой внутренней силы, которую он назвал энтелехией («осуществленностью»). А мать предоставляет ребенку материю для развития.

До XIX века материалистическая теория Гиппократа и идеалистическая теория Аристотеля просуществовали без каких-либо уточнений и дополнений. Каждый ученый выбирал себе ту концепцию, которая совпадала с его мировоззрением, не углубляясь в тему. Для изучения наследственности людям недоставало знаний. Заводчики и селекционеры¹⁷ не понимали, почему одни признаки легко закреплялись в потомстве, с другими приходилось повозиться, а некоторые вообще не удавалось закрепить, несмотря на все старания.

В XIX веке многие ученые занимались вопросами наследственности, в том числе и сам Дарвин, но их умозрительные теории, не опробованные и не доказанные на практике, вместо ясности только еще больше запутали дело, были хороши для Древней Греции, но не для эпохи расцвета всех наук. Только в начале ХХ века американский генетик Томас Морган со своими сотрудниками Кэлвином Бриджесом, Алфредом Стертевантом и Германом Меллером сформулировали хромосомную теорию наследственности. Годом рождения этой теории официально считается 1915 год, в котором Морганом и его коллегами был опубликован фундаментальный труд «Механизм менделевской¹⁸ наследственности».

Хромосомная теория наследственности развивалась вместе с генетикой, и на сегодняшний день ее основные положения формулируются следующим образом.

Первое – гены находятся в хромосомах.

Второе – гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.

Третье – различные хромосомы содержат неодинаковое число генов; кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.

Четвертое – аллели генов занимают одинаковые локусы¹⁹ в гомологичных хромосомах. Иначе говоря, гены, отвечающие за развитие одного признака, расположены в гомологичных хромосомах на одинаковых местах. Тождественность расположения имеет очень важное значение. Она делает возможным обмен участками между гомологичными хромосомами. Этот обмен, который называется кроссинговером²⁰, происходит в первой профазе мейоза. Гомологичные хромосомы обмениваются совершенно одинаковыми участками, образно говоря, получают взамен ровно столько же, сколько и отдали.

Схематичное и упрощенное изображение кроссинговера

Изменение в генетическом материале хромосомы²¹, вызванное кроссинговером, называется рекомбинацией.

Кроссинговер очень полезен для биологического вида. Не для одной отдельной особи, а именно для биологического вида. Можете объяснить – почему? Ответ будет приведен в конце главы.

Предупреждение: обратите внимание на то, что кроссинговер происходит в мейозе, то есть при образовании половых клеток. Вопрос очень сложный, если вы не сможете на него ответить, то не огорчайтесь, а просто прочтите ответ. Ну а если сможете, то вы молодец!

Пятое – гены одной хромосомы образуют группы сцепления, то есть наследуются преимущественно совместно, единым блоком, благодаря чему происходит сцепленное наследование некоторых признаков.

Шестое – сцепление нарушается в результате кроссинговера, частота которого прямо пропорциональна расстоянию между генами в хромосоме (поэтому сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами). Чем ближе друг к другу расположены в хромосоме два отдельных гена, тем меньше вероятности того, что они будут разлучены в результате кроссинговера. И, соответственно, наоборот – чем дальше гены друг от друга, тем больше у них шансов расстаться.

Седьмое – каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом, который называется кариотипом.

Таковы основы хромосомной теории наследственности.

Вы уже знаете, что ДНК находится и за пределами клеточного ядра, в митохондриях и пластидах. А раз есть ДНК, значит, есть и обусловленная ею наследственность. Все внеядерные формы наследственности называют цитоплазматической наследственностью. Имеется в виду не расположение молекул ДНК непосредственно в цитоплазме, а их расположение за пределами клеточного ядра. Цитоплазматическая наследственность не имеет такого значения, как хромосомная, но пренебрегать ею нельзя. Так, например, можно предположить, что «парадоксальная» передача фенотипически измененной окраски потомству колорадского жука, о которой говорилось в предыдущей главе, обусловлена каким-то неизвестным пока еще свойством цитоплазматической наследственности. Кстати говоря, в хромосомы «упаковываются» только молекулы ядерной ДНК. Внеядерные молекулы ДНК относительно небольшие и имеют замкнутую кольцевую форму²².

Важно понимать, что внеядерные признаки наследуются только по материнской линии, потому что митохондрии и пластиды передаются новому поколению яйцеклеткой. Сперматозоид передает потомству только отцовский генетический материал (свое ядро) и ничего больше.

С наследственностью мы пока что закончили. Давайте вернемся к кроссинговеру и разберем то, что осталось за пределами нашего внимания.

На сегодняшний день принято считать кроссинговер случайным процессом, но не исключено, что обмен участками подчинен каким-то строгим закономерностям, которые пока еще не открыты. Да и сам механизм кроссинговера пока еще не изучен до конца. Говоря «хромосомы обменялись участками», мы не представляем всех деталей этого процесса и не можем расписать его «по нотам». Короче говоря, если вы молоды, вдумчивы, энергичны и мечтаете совершить одно или несколько великих открытий, то вам определенно стоит подумать о том, чтобы стать генетиком. Кроме шуток.

Кроссинговер, происходящий в одном участке хромосомы, называют одинарным. Поскольку хромосомы очень длинные, в них одновременно могут происходить несколько перекрестных обменов участками – двойные, тройные и множественные кроссинговеры.

Все живое устроено очень продуманно. У любого полезного (вы уже догадались, почему полезен кроссинговер?) процесса существует свой ограничительный механизм, не позволяющий полезному превратиться во вредное. Существует такое явление, как интерференция. Суть его заключается в том, что кроссинговер, происшедший в одном участке хромосомы, подавляет кроссинговер в близлежащих сегментах.

Зачем нужно подавлять кроссинговер «по соседству»? Зачем ограничивать размеры обмениваемых участков? Ведь обмен-то происходит равноценный…

Во-первых, смысл кроссинговера состоит в повышении разнообразия, в создании новых комбинаций генов. Для этого выгоднее произвести несколько обменов небольшими участками, расположенными в разных местах, а не обменивать один большой участок на другой. Можно привести довольно грубую, но наглядную аналогию с игральными картами, которые нужно тасовать так, чтобы полностью изменить последовательность их расположения. Если просто разделить колоду карт надвое и поменять половинки местами, толку от такой тасовки будет мало.

Во-вторых, во время разрезания и сшивания молекулярных цепочек неизбежны ошибки. Лучше, то есть выгоднее, иметь ошибку, приводящую к относительно небольшим изменениям генетического кода, нежели масштабную.

После открытия кроссинговера было принято считать, что при этом процессе рекомбинация осуществляется между генами, но сам ген кроссинговером никогда не разделяется. Таким образом, ген стал считаться единицей кроссинговера. Генетики представляли хромосому в виде длинной нити с нанизанными на нее «бусинами» – генами. Каждый ген собран в плотный комок, который при кроссинговере разрезаться не может. Нить хромосомы рвется только там, где на ней нет бусин. Вполне логичное предположение, не так ли?

Подобные взгляды сохранялись до середины прошлого века, то есть до начала бурного развития генетики. Кстати говоря, даже сейчас в специализированной литературе иногда можно встретить утверждение: «ген является единицей кроссинговера», несмотря на то что на самом деле кроссинговер может проходить и внутри генов. Правда, «внутригенный» кроссинговер является исключением, а не правилом, поскольку он происходит очень редко, примерно в десять тысяч раз реже обычного. Так что упрощенно можно продолжать считать ген единицей кроссинговера. Мы с вами так и будем делать.

Важно понимать, что гены в результате «внутригенного» кроссинговера не уничтожаются, а всего лишь «обновляются». Как бы ни протекал кроссинговер, на количестве генов в хромосоме он не сказывается. Сколько было до обмена, столько же будет и после него. Кроссинговер «тасует» гены, но не превращает одни гены в другие. Если, к примеру, в темнокожей семье с исключительно темнокожими предками с обеих сторон вдруг рождается белый ребенок, то это явление никак нельзя объяснять кроссинговером. Точно так же, как и рождение темнокожего ребенка в исконно белой семье.

Выше было сказано о том, что кроссинговер наблюдается во время мейоза. Однако обмен участками между гомологичными хромосомами может происходить и в митозе, в периоде интерфазы, когда клетка, готовящаяся к предстоящему делению, удваивает число хромосом. В интерфазе хромосомы не соединяются друг с другом центромерами, но обмену участками это не мешает. Более того – отсутствие центромер позволяет четырем хромосомам сливаться в крестообразную структуру, которая затем разрывается таким образом, что у каждой хромосомы появляется новый фрагмент²³. Такие хромосомные «кресты» называются структурами Холлидея, в честь британского биолога Робина Холлидея, предположившего существование «крестов» в 1964 году.

Структура Холлидея. латинскими буквами обозначены аминокислоты – аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T)

Митотический кроссинговер наблюдали в соматических клетках ряда организмов, в том числе и у человека. В отличие от обычного мейотического кроссинговера, который «по умолчанию» является полезным процессом (вы уже догадались почему или еще нет?), митотический кроссинговер может как приносить пользу, так и причинять вред. Полезный митотический кроссинговер создает благоприятные для клетки комбинации генов. Вредный может приводить к перерождению обычной соматической клетки в злокачественную, склонную к бесконтрольному и ненужному организму размножению. Вообще с точки зрения генетики возникновение злокачественных (раковых) опухолей является следствием накопления «ошибок» в геноме. Другим отличием митотического кроссинговера от мейотического является отсутствие влияния на биологический вид в целом. Митотический кроссинговер имеет значение только для того организма, в клетках которого он происходит, потому что возникшие при нем изменения не могут быть переданы потомству.

Взаимный обмен участками между негомологичными хромосомами (такое тоже бывает) называется не кроссинговером, а реципрокной транслокацией²⁴ (или просто транслокацией). Транслокации возникают вследствие ошибок при ликвидации разрывов обеих нитей в двух расположенных рядом негомологичных молекулах ДНК – фрагмент одной молекулы «пришивается» к фрагменту другой.

Слияние двух хромосом с образованием одной также называется транслокацией, но не реципрокной, а робертсоновской. Помните, что мы говорили о том, как наша вторая хромосома образовалась из двух хромосом наших далеких предков и потому у нас двадцать три пары хромосом, а у всех человекообразных обезьян по двадцать четыре? Это слияние – пример робертсоновской транслокации. Возможно, именно эта транслокация послужила причиной интенсивного роста головного мозга и бурного развития интеллекта у наших предков, ведь человекообразные обезьяны так и не стали разумными.

Реципрокные и робертсоновские транслокации

Чаще всего транслокации не вызывают потери или добавления генетического материала, и поэтому их носители, как правило, имеют нормальный фенотип – внешне транслокации никак не проявляются. По большому счету клетке все равно, с какой хромосомы считывать наследственную информацию, важно, чтобы эта информация была в наличии. Транслокации, в результате которых общее количество хромосомного материала не изменяется, называются сбалансированными транслокациями. При потере какого-то количества хромосомного материала транслокация называется несбалансированной.

Несбалансированные транслокации чреваты негативными последствиями, выраженность которых зависит от характера (одни гены важнее других) и количества утраченного хромосомного материала. Транслокации, возникшие в половых клетках, могут приводить к проблемам со здоровьем и отставанию в развитии у потомства. Несбалансированные транслокации, возникающие в соматических клетках, могут приводить к потере контроля над клеточным делением, в результате развиваются онкологические заболевания. В основе любого онкологического заболевания лежит неконтролируемое, чрезмерное деление клеток. В наше время наиболее перспективным способом лечения онкологических заболеваний представляется генетический, потому что наиболее эффективным лечением заболевания является устранение его причины.

В чем состоит принципиальная разница между кроссинговером и транслокацией?

Кроссинговер представляет собой физиологический, то есть характерный для нормальной жизнедеятельности клетки процесс, а транслокации являются отклонением от нормы.

Избегайте распространенной ошибки, характерной для дилетантов, – не ставьте знак равенства между полезным и физиологическим! Всё физиологическое полезно, но не всё полезное физиологично. Транслокации могут приводить к каким-то полезным изменениям, но, тем не менее, физиологическим процессом они считаться не могут.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Являясь одним из механизмов наследственной изменчивости, кроссинговер обеспечивает повышение генетического разнообразия в пределах биологического вида. Повышение генетического разнообразия увеличивает вероятность появления полезных признаков, что способствует более качественному приспособлению отдельных особей и видов в целом к условиям окружающей среды. Чем больше генетического разнообразия, тем лучше приспособляемость. Чем лучше приспособляемость, тем выше выживаемость.

Вы можете сказать, что вероятность появления вредных признаков точно такая же, как и полезных. Совершенно верно, вероятности одинаковы, но дело в том, что полезные признаки закрепляются и распространяются, а вредные быстро «вычеркиваются» естественным отбором. Иначе говоря, вредные признаки наносят ущерб отдельным особям, а полезные приносят пользу всему биологическому виду (или же всей популяции данного вида).

Глава 6
Мутации

Эта глава – самая важная в книге. После ее прочтения вы можете считать себя человеком, разбирающимся в генетике. Почему самая важная глава идет по счету шестой, а не первой? Потому что для знакомства с мутациями нужно иметь определенный багаж знаний.

Главной движущей силой эволюции является естественный отбор, увеличивающий количество особей, обладающих более высокой приспособленностью к условиям среды, и, соответственно, уменьшающий количество плохо приспособленных. А задумывались ли вы когда-нибудь над тем, что служит «топливом» для естественного отбора? Точнее даже не топливом, а поставщиком материала… В результате чего появляются новые признаки?

Разумеется, в результате изменений генетического материала. Не так скопировали, не там разрезали, не то сшили… Короче говоря – ошиблись.

Все то буйное великолепие живой природы, которое существует на нашей планете, является результатом цепи нескончаемых ошибок, которые превратили Самую Первую Клетку в миллионы биологических видов. Да и человека, при всех его достоинствах, можно с полным правом называть не «венцом творения», а «ошибкой природы». Нет, лучше не «ошибкой природы», а «результатом мутаций», так будет правильно с генетической точки зрения.

Мутацией²⁵ называется стойкое изменение генома (структурная перестройка в гене), приводящее к изменению наследственной информации. Слово «стойкое» означает, что это изменение может передаваться потомкам.

Полное современное определение мутации звучит следующим образом: это внезапное качественное изменение структуры ДНК в одном локусе (генная мутация) или изменение числа или микроструктуры хромосом (хромосомная мутация). Мутация может затрагивать как отдельный ген, так и хромосому. Транслокации, с которыми мы ознакомились в предыдущей главе, являются одной из разновидностей хромосомных мутаций.

Процесс возникновения мутаций называется мутагенезом. Различают естественный и искусственный мутагенез. Естественный, или спонтанный, мутагенез происходит вследствие воздействия на генетический материал факторов окружающей среды, таких как ультрафиолетовое или радиоактивное излучение, а также некоторых химических веществ. Суть заключается не в самих факторах, а в характере их воздействия на организм. Если они воздействуют спонтанно, случайно, сами по себе, то мутагенез будет считаться естественным. Если же клетки облучаются ультрафиолетом в ходе эксперимента, то вызванный облучением мутагенез будет считаться искусственным.

Кстати говоря, именно мутации, точнее – вызванные ими изменения фенотипа, позволили ученым обоснованно предположить существование генов в то время, когда этих самых генов никто и в глаза не видел. Ход рассуждений был примерно таков:

– первое: нет сомнений в том, что у всех собак был общий предок (собаки взяты в качестве примера произвольно, на их месте могла бы оказаться капуста или, скажем, лук);

– второе: но при этом собаки разных пород очень сильно отличаются друг от друга; самец среднеазиатской овчарки алабай имеет высоту в холке около семидесяти сантиметров и может весить восемьдесят килограммов, а самец чихуахуа весит в среднем два с половиной килограмма, к тому же по внешнему виду алабай и чихуахуа отличаются друг от друга, как небо и земля;

– третье: как сотни пород собак (или десятки сортов лука) могли произойти от одного общего предка?

– четвертое: они могли произойти от одного общего предка в результате изменения неких носителей наследственных признаков, которые назвали генами; одни гены определяют основные видовые²⁶ признаки (два уха, четыре лапы, наличие хвоста, умение лаять и т. п.), а другие – второстепенные признаки (размеры и пропорции тела, форму ушей, длину шерсти…).

Начали с того, как непохожи друг на друга собаки разных пород, а пришли к генам!

Не имея никакого понятия о мутациях и генах, наши предки, тем не менее, успешно использовали мутации, возникавшие у растений или животных. Любой случайно появившийся полезный (с точки зрения человека)²⁷ признак, человек старался сохранить и распространить посредством скрещивания, для которого отбирались особи, обладавшие этим признаком. Спустя энное количество поколений человек получал новый сорт растения или новую породу животного.

Типичным и часто приводящимся в научной литературе примером использования полезной мутации является выведение породы анконских овец, о которых в труде «Изменчивость животных и растений в одомашненном состоянии» упоминал Чарльз Дарвин.

В 1791 году на одной ферме в американском штате Массачусетс родился ягненок с длинным туловищем и очень короткими искривленными ногами, по внешнему виду настоящий урод. Когда «урод» вырос в здорового взрослого барана, его хозяин оценил преимущество «коротконогости». Из-за своих коротких ног баран не мог перепрыгивать через изгороди пастбищ, подобно своим собратьям. Выгода получалась двойной – отпадала необходимость в пастухах и собаках, которым приходилось постоянно сгонять разбежавшихся овец обратно, и не наносился ущерб полям. А ущерб этот был значительным, поскольку овцы не только поедали всходы, но и вытаптывали их. Фермер скрестил коротконогого барана с его матерью и получил ожидаемое коротконогое потомство. Селекция была простой, так как проводилась по одному-единственному признаку, иначе говоря, нужно было закрепить в потомстве всего один ген. Вдобавок у родоначальника новой породы был «готовый» полезный признак, который оставалось только растиражировать. В большинстве же случаев к желаемому признаку приходилось идти длинным путем. В аналогичном случае селекционерам, желавшим вывести коротконогую породу овец, пришлось бы годами скрещивать особей, ноги которых были короче, чем у других. А массачусетскому фермеру природа преподнесла признак «на блюдечке с голубой каемочкой».

Важно понимать, что мутации не накапливаются до какого-то критического порога, чтобы затем проявиться. Мутации происходят внезапно, случайно, скачкообразно. Не было никаких изменений в гене – и вдруг оно произошло! Знакомьтесь: я ваша новая мутация!

Предупреждение: кому-то может показаться, что эта книга структурирована неправильно. Мы с вами уже ознакомились с хромосомной теорией наследственности, сейчас будем знакомиться с мутационной теорией Коржинского – Де Фриза²⁸, а опыты Грегора Менделя, с которых, собственно, и началась генетика, отложили на потом. Но мы же изучаем генетику, а не историю генетики, верно? А для того, чтобы понимать суть опытов Менделя, нужно обладать определенными знаниями. Иначе вы окажетесь в положении Менделя, который сделал великое открытие и даже пришел к определенным выводам, но многого не понял, потому что просто не мог понять.

Мутации внезапны, они представляют собой дискретные изменения признаков – это первое и главное положение мутационной теории Коржинского – Де Фриза, являющейся одной из основ генетики.

Вот другие положения этой теории (существующие в наше время формулировки могут различаться, но суть их едина):

– мутации устойчивы, то есть передаются по наследству;

– в отличие от ненаследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа, а представляют собой качественные скачки изменений;

– мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными;

– мутации индивидуальны;

– мутации спонтанны, то есть протекают самопроизвольно и носят случайный характер;

– одни и те же мутации могут возникать неоднократно.

Фразы «мутации не образуют непрерывных рядов» и «мутации не группируются вокруг какого-либо среднего типа» для непосвященных могут звучать непонятно, но мы это сейчас быстро исправим.

Непрерывный ряд – понятие не столько генетическое, сколько статистическое, общее. Признак может иметь прерывное (дискретное) или непрерывное изменение.

Признак имеет непрерывное изменение в том случае, если он может принимать любое значение. Разумеется, в определенных границах. Для таких признаков статистики строят интервальные или непрерывные вариационные ряды.

Примером непрерывного признака может служить масса тела, которая является ненаследственным изменением. Унаследовать можно предрасположенность к ожирению, но не конкретную массу тела как признак. В определенных границах масса тела может иметь любое значение и изменяется она постепенно. Непрерывные признаки могут принимать любые значения в определенном интервале.

Дискретные ряды строят для признаков дискретных, с прерывным изменением. Цвет глаз – это дискретный признак. Дискретные признаки могут принимать только отдельные значения из некоторого набора вероятностей.