Теорія гена. Генетичні закони

Будова гена. Ген — інформаційна структура, яка складається з ДНК, рідше РНК, і визначає синтез молекул РНК одного з типів: іРНК або рРНК, за допомогою яких здійснюється мета­болізм, який зрештою приводить до розвитку ознаки. Мінімальні за розмі­ром гени складаються з кількох десят­ків нуклеотидів. Гени синтезу великих макромолекул включають кілька сот і навіть тисяч нуклеотидів. Незважаючи на великі їх розміри, вони залишають­ся невидимими. Наявність генів вияв­ляється за наявністю ознак організму, за їх проявом. Загальну схему будови генетичного апарату прокаріот запропонували французькі генетики Ф. Жакоб і Ж. Моно (1961р.)

Сучасний стан теорії гена. У резуль­таті досліджень елементарних одиниць спадковості сформувалось уявлення, яке носить загальну назву теорії гена. Основні положення цієї теорії:

1. Ген займає певну ділянку (локус) у хромосомі.

2. Ген (цистрон) — частина молеку­ли ДНК, яка має певну послідовність нуклеотидів, являє собою функціональ­ну одиницю спадкової інформації. Кількість нуклеотидів, які входять до складу різних генів, різна.

3. Всередині гена можуть відбувати­ся рекомбінації (до неї здатні части­ни цистрона — рекони) і мутації (до них здатні частинки цистрона — мутони).

4. Існують структурні і функціональ­ні гени.

5. Структурні гени кодують синтез білків, але ген не бере безпосередньої участі у синтезі білка. ДНК—матри­ця для молекул іРНК.

6. Функціональні гени контролюють і спрямовують діяльність структурних генів.

7. Розташування триплетів із нукле­отидів у структурних генах колінеарне до амінокислот у поліпептидному лан­цюзі, який кодується даним геном.

8. Молекули ДНК, які входять до складу гена, здатні до репарації, тому не всі пошкодження гена ведуть до му­тації.

9. Генотип складається з окремих ге­нів (дискретний), але функціонує як єдине ціле. На функцію генів вплива­ють фактори як внутрішнього, так і зовнішнього середовища.

Спадкова хвороба — фенілкетонурія (порушення амінокис­лотного обміну) може мати різний сту­пінь прояву (тобто різну експресив­ність), починаючи від легкої розумової відсталості, до глибокої імбецильності (тобто здатності тільки до елементар­них навичок самообслуговування).

Одна і та ж ознака може проявля­тися у деяких організмів і не проявля­тися у інших, які мають той же ген. Кількісний показник фенотипового вия­ву гена називають пенетрантністю. Во­на характеризується співвідношенням особин, у яких даний ген проявляється у фенотипі, до загальної кількості осо­бин, у яких ген міг би проявитися (якщо враховується рецесивний ген, то у гомозигот, якщо домінантний — то у домінантних гомозигот і гетерозигот). Якщо, наприклад, мутантний ген про­являється у всіх особин, кажуть про 100 %-ну пенетрантність, у решті ви­падків — про неповну і вказують про­цент особин, у яких проявляється ген. Так, успадкованість груп крові у лю­дини за системою АБО має стопроцент­ну пенетрантність, спадкові хвороби: епілепсія—67%, цукровий діабет— 65%, природжений вивих стегна— 20 % пенетрантності тощо.

Терміни «експресивність» і «пене­трантність» введені у 1927 р. М.В.Тимофеєвим-Ресовським. Експресивність і пенетрантність підтримуються при­родним добором. Обидві особливості необхідно мати на увазі при вивченні спадковості у людини. Необхідно па­м'ятати, що гени, які контролюють па­тологічні ознаки, можуть мати різну пенетрантність і експресивність, тобто проявлятися не у всіх носіїв аномаль­ного гена, і що у хворих рівень хво­робливого стану неоднаковий. Змінюючи умови середовища, можна вплива­ти на прояв ознак.

Той факт, що один і той же генотип може стати джерелом розвитку різних фенотипів, має суттєве значення для медицини. Це значить, що обтяжена спадковість не обов'язково має прояви­тися. Багато залежить від тих умов, у яких знаходиться людина. У ряді ви­падків хворобу як фенотиповий вияв спадкової інформації можна відверну­ти дотриманням дієти або використан­ням лікарських препаратів.

Реалізація спадкової інформації знаходиться у прямій залежності від середовища, їхню взаємозалежність можна сформу­лювати у вигляді певних положень.

1. Оскільки організми є відкритими системами, які існують як єдине ціле з умовами середовища, то і реалізація спадкової інформації відбувається під контролем середовища.

2. Один і той же генотип здатний да­ти різні фенотипи, що визначається умовами, в яких реалізується генотип у процесі онтогенезу особини.

3. У організмі можуть розвиватися тільки ті ознаки, які зумовлені геноти­пом. Фенотипова мінливість у межах норми реакції відбувається за кожною конкретною ознакою.

4. Умови середовища можуть впли­вати на ступінь вираженості спадкової ознаки у організмів, які мають відпо­відний ген (експресивність), або на кількість особин, які проявляють від­повідну ознаку (пенетрантність).

Мінливість.

Розрізняють мінливість спадкову і неспадкову.

Перша з них пов'язана зі зміною генотипу, друга — фенотипу. Неспадкову мінливість Дарвін називав визначеною. У сучасній літературі її прийнято називати моди­фікаційною, або фенотиповою.

Фенотипова (модифікаційна) мінли­вість. Модифікаціями називають фено­типові зміни, які виникають під впли­вом умов середовища. Розмір модифі­каційної мінливості обмежений нормою реакції. Модифікаційні зміни ознаки не успадковуються, але її діапазон, нор­ма реакції генетичне зумовлені і успад­ковуються. Модифікаційні зміни не викликають змін генотипу. Модифіка­ційна мінливість, як правило, носить доцільний характер. Вона відповідає умовам існування, є пристосувальною.

Під впливом зовнішніх умов фенотипово змінюються ріст тварин і рос­лин, їхня маса, колір тощо. Виникнен­ня модифікацій пов'язане з тим, що умови середовища впливають на фер­ментативні реакції, які відбуваються у організмі, і певним чином змінюють їх хід. Цим, зокрема, пояснюється поява різного кольору квіток примули і відкладання пігменту у волоссі гіма­лайських кролів. Прикладами модифі­каційної мінливості у людини можуть бути підсилення пігментації під впли­вом ультрафіолетового опромінення, розвиток м'язової і кісткової систем в результаті фізичних навантажень то­що. До модифікаційної мінливості не­обхідно віднести також фенокопії. Во­ни зумовлені тим, що у процесі роз­витку під впливом зовнішніх факторів ознака, яка залежить від певного ге­нотипу, може змінитися; при цьому ко­піюються ознаки, що характерні для іншого типу. На розвиток фенокопій можуть впливати різноманітні фактори середовища — кліматичні, фізичні, хі­мічні, біологічні. Деякі інфекційні хво­роби (краснуха, токсоплазмрз), які пе­ренесла мати під час вагітності, також можуть стати причиною фенокопій ря­ду спадкових хвороб і вад розвитку у новонароджених. Наявність фенокопій часто утруднює діагноз, тому про їх існування лікар повинен знати.

Особливу групу модифікаційної мін­ливості складають тривалі модифіка­ції. Так, при дії високої або зниженої температури на лялечок колорадського картопляного жука колір дорослих тва­рин змінюється. Ця ознака спостері­гається у кількох поколінь, а потім по­вертається попередній колір. Вказана ознака передається нащадкам тільки під впливом температури на жіночі особини і не передається, якщо фактор діяв тільки на самців. Отже, тривалі модифікації успадковуються за типом цитоплазматичної спадковості. Ма­буть, під впливом зовнішнього факто­ра відбуваються зміни у тих частинах цитоплазми, які потім можуть ауторепродукуватися.

Генотипову, або спадкову, мінливість прийнято ділити на комбінативну і му­таційну.

Комбінативна мінливість пов'язана з отриманням нових поєд­нань генів у генотипі. Досягається це у результаті трьох процесів: а) неза­лежного розходження хромосом при мейозі; б) випадкового поєднання при заплідненні; в) рекомбінації генів зав­дяки кросинговеру; самі спадкові фак­тори (гени) при цьому не змінюються, але виникають нові поєднання їх, що призводить до появи організмів з інши­ми генотипом і фенотипом.

Дарвін надавав комбінативній мін­ливості великого значення, вважаючи, що поряд з добором їй належить важ­лива роль у створенні нових форм як у природі, так і у господарстві людини.

Комбінативна мінливість широко розповсюджена у природі. У мікроор­ганізмів, які розмножуються безстатевим шляхом, виникли своєрідні меха­нізми (трансформація і трансдукція), які приводять до появи комбінативної мінливості. Все це говорить про вели­ке значення комбінативної мінливості для еволюції, видоутворення. Проте виникнення видів у результаті тільки гібридизації — явище рідкісне.

До комбінативної мінливості прими­кає явище гетерозису. Гетерозис (гр. heteroisis— видозміни, перетворення), або «гібридна сила», може спостеріга­тися у першому поколінні при гібриди­зації між представниками різних видів або сортів. Проявляється він у формі підвищеної життєздатності, збільшенні зросту та інших особливостей.

Мутаційна мінливість. Мутацією (лат. mutatio— зміна) називають змі­ну, яка зумовлена реорганізацією структур відтворення, перебудовою ге­нетичного апарату. Цим мутації різко відрізняються від модифікацій, які не торкаються генотипу особини. Мутації виникають раптово, стрибкоподібне, що іноді різко відрізняє організм від ви­хідної форми.

Рослинникам і тваринникам такі змі­ни були відомі давно. Мутаційній мін­ливості присвятили свої роботи С. I. Коржинський (1899) і Г. де Фриз (1901). Останньому належить термін «мутація».

Тепер відомі мутації у всіх класів тварин, рослин і вірусів. Існує багато мутацій і у людини. Саме мутаціями зумовлений поліморфізм людських по­пуляцій: різна пігментація шкіри, во­лосся, колір очей, форма носа, вух, під­боріддя тощо. У результаті мутацій зявляються і успадковуються анома­лії у будові тіла, спадкові хвороби лю­дини. З мутаційною мінливістю пов'я­зана еволюція — процес утворення но­вих видів, сортів і порід. За характе­ром змін генетичного апарату розріз­няють мутації, які зумовлені: а) змі­ною кількості хромосом (геномні), б) зміною структури хромосом (хромо­сомні аберації); в) зміною молекуляр­ної структури гена (генні, або точкові, мутації).

Геномна мінливість. Гаплоїдний на­бір хромосом, а також сукупність ге­нів, які знаходяться у гаплоїдному на­борі хромосом, називають геномом. Мутації, які спричинюють зміну кіль­кості хромосом, називають геномними. До них відносять поліплоїдію і гете-роплоїдію (анеуплоїдія).

Поліплоїдія— збільшення диплоїдної кількості хромосом шляхом додавання цілих хромосомних наборів у результаті порушення мейозу.

Статеві клітини мають гаплоїдний набір хромосом (п), а для зигот і всіх соматичних клітин характерний дипло-їдний набір (2п). У поліплоїдних форм спостерігається збільшення числа хро­мосом, кратне гаплоїдному набору: Зп — триплоїд, 4п — тетраплоїд, 5/г — пентаплоїд, 6п — гексаплоїд тощо. Ма­буть, еволюція ряду квіткових рослин йшла шляхом поліплоїдізації. Куль­турні рослини у більшості — поліплоїди.

У селекційній практиці з метою отри­мання поліплоїдів на рослини діють критичними температурами, іонізую­чим випромінюванням, хімічними ре­човинами (найбільш поширений алка­лоїд колхіцин).

Форми, які виникають у результаті збільшення кількості хромосом одного генома, називаються автоплоїдними. Відома й інша форма поліплоїдії — алоплоїдія, при якій збільшується кіль­кість хромосом двох різних геномів. Алоплоїди штучно отримані при гіб­ридизації. Так, Г. Д. Карпеченко ство­рив алополіплоїдний гібрид редьки і капусти. У даному випадку кожний вихідний вид має 18 хромосом, а гіб­ридний —36, бо є алополіплоїдним.

Поліплоїдні форми відомі і у тварин. Мабуть, еволюція деяких груп найпрос­тіших, зокрема інфузорій і радіолярій, ішла шляхом поліплоїдізації. У деяких багатоклітинних тварин поліплоїдні форми вдалося створити штучно (туто­вий шовкопряд).

Гетероплоїдія. У результаті порушення мейозу і мітозу кількість хромосом може змінюватися і ставати некратною гаплоїдному набору. Явище, коли яка-небудь із хромосом у геноти­пі має не дві, а три гомологічних хро­мосоми, називаються трисомією. Якщо відбувається трисомія за однією парою хромосом, то такий організм називають трисоміком і його хромосомний набір буде 2n + 1. Трисомія може бути за будь-якою з хромосом і навіть за кіль­кома. Подвійний трисомік має набір хромосом 2п+2, потрійний—2п+ З тощо.

Явище трисомії вперше описано у дурману. Відома трисомія і в інших ви­дів рослин і тварин, а також у люди­ни. Трисоміками є, наприклад, люди з синдромом Дауна, Трисоміки найчас­тіше нежиттєздатні, бо вони мають ряд патологічних змін.

Протилежне трисомії явище, тобто втрата однієї хромосоми з пари у дип-лоїдному наборі, називається моносомією, а організм — моносоміком; його каріотип —2п—1. При відсутності двох різних хромосом організм буде подвійним моносоміком (2п—2). Як­що з диплоїдного набору випадають обидві гомологічні хромосоми, орга­нізм називається нулісоміком. Він, як правило, нежиттєздатний.

Із сказаного видно, що анеуплоїдія, тобто порушення нормальної кількості хромосом, призводить до змін у будові і зниження життєздатності організму. Чим більше порушення, тим нижча життєздатність. У людини порушення збалансованого набору хромосом вик­ликає хворобливий стан, відомий під загальною назвою хромосомні хворо­би.

Хромосомні аберації виникають у результаті перебудови хромосом. Це наслідок розриву хромосоми з утворен­ням їхніх фрагментів, які потім об'єд­нуються, але при цьому нормальна структура хромосоми не відновлюєть­ся. Розрізняють чотири основні типи хромосомних аберацій: нестача, под­воєння (дуплікація), інверсії, трансло­кації.

Нестачі виникають внаслідок втрати хромосомою тієї чи іншої ділян­ки. Нестачу у середній частині хромо­соми призводить організм до загибелі, втрата незначних ділянок викликає зміни спадкових властивостей. Так, при нестачі ділянки однієї з хромосом у кукурудзи її проростки позбавлені хло­рофілу.

Подвоєння (дуплікація) пов'язане з включенням зайвого дуб­люючого відрізка хромосоми. Це також веде до виникнення нових ознак. Так, у дрозофіли ген смужкоподібних очей характеризується мозаїчною мутацією. Такі особини назива­ються мозаїками. Наприклад, мозаїка­ми є люди, у яких різний колір пра­вого і лівого очей, або тварини певної масті, у яких на тілі з'являються пля­ми іншого кольору тощо. Не виключе­но, що соматичні мутації, які впли­вають на метаболізм, є однією з при­чин старіння і злоякісних новоутво­рень.

Якщо мутація відбувається у кліти­нах, із яких розвиваються гамети, або статеві клітини, то нова ознака про­явиться у найближчому або наступних поколіннях. Спостереження показують, що багато мутацій шкідливі для орга­нізму. Це пояснюється тим, що функ­ціонування кожного органа збалансо­ване по відношенню як до інших орга­нів, так і до зовнішнього середовища. Порушення існуючої рівноваги звичай­но веде до зниження життєдіяльності і загибелі організму. Мутації, які зни­жують життєдіяльність, називають на­півлетальними. Несумісні з життям му­тації називають летальними (лат.—смертельний). Проте певна час­тина мутацій може бути корисною. Та­кі мутації є матеріалом для прогресив­ної еволюції, а також для селекції цін­них порід свійських тварин і сортів культурних рослин. «Корисні» мутації у поєднанні з добором лежать в основі еволюції.

Індукований мутагенез. Мутації по­діляють на спонтанні та індуковані. Спонтанними називають мутації, які виникають під впливом невідомих при­родних факторів, найчастіше як ре­зультат помилок при рекомбінації ДНК. Індуковані мутації викликають спеціально спрямованою дією факто­рів, які підвищують мутаційний про­цес.

Спадкові відміни у мікроорганізмів, рослин, тварин і людини, у тому числі спадкові хвороби і каліцтва, з'явились у результаті мутацій. Якщо спонтанні мутації — явище досить рідкісне (час­тота—10-5—10-7), то використання мутагенних агентів значно підвищує їхню повторюваність.

Фактори, які здатні індукувати му­таційний ефект, називають мутагенними. Встановлено, що будь-які фактори зовнішнього і внутрішнього середови­ща, які можуть порушувати гомео­стаз, здатні викликати мутації. До най­сильніших мутагенів відносять хімічні сполуки, різні види випромінювання і біологічні фактори.

Хімічний мутагенез. Ще у 1934 р. М. Є. Лобашов відмітив, що хімічні мутагени характеризуються трьома якостями: високою проникніс­тю; здатністю змінювати колоїдний стан хромосом; певною дією на стан гена або хромосоми.

Пріоритет відкриття хімічних мута­генів належить радянським дослідни­кам. У 1933 р. В. В. Сахаров одержав мутації шляхом дії йоду, у 1934 р. М. Є. Лобашов — використовуючи аміак. У 1946 р. радянський генетик І. А. Рапопорт виявив сильну мутаген­ну дію формаліну і етиленіміну, а англійська дослідниця Ш. Ауербах — іприту. Пізніше було відкрито багато інших хімічних мутагенів. Деякі з них підсилюють мутаційний ефект у сотні разів порівняно із спонтанним; їх на­зивають супермутагенами (лат. super — зверх, над, понад). Багато з них, зокрема використовувані для одержан­ня високоактивних штамів організ­мів—продуцентів антибіотиків, від­крив І. А. Рапопорт.

Хімічні мутагени, використовуються для отримання мутагенних форм цвільових грибів, актиноміцетів, бактерій, які продукують у великих кількостях пеніцилін, стрептоміцин та інші анти­біотики. Хімічними мутагенами підви­щується ферментативна активність гри­бів, які використовуються для спирто­вого бродіння. Розроблено десятки перспективних мутацій культурних рослин.

У експериментах мутації індукують­ся різноманітними хімічними агента­ми. Цей факт свідчить про те, що, ма­буть, і у природних умовах подібні фактори також є причиною появи спонтанних мутацій при дії різних хі­мічних речовин і навіть деяких лікар­ських препаратів. Це говорить про не­обхідність вивчення мутагенної дії но­вих фармакологічних речовин, пестицидів та інших хімічних сполук, які все частіше використовуються у меди­цині і сільському господарстві. '

Радіаційний мутагенез. Вперше індуковані радіацією мутації були експериментальне одержані ра­дянськими вченими Г. А. Надсоном і Г. С. Філіпповим, які у 1925 р. спосте­рігали мутаційний ефект на дріжджах після дії на них іонізуючої радіації. У 1927 р. американський генетик Г. Меллер показав, що рентгенівські промені можуть викликати багато му­тацій у дрозофіли, а пізніше мутаген­ну дію рентгенівських променів під­твердили на багатьох об'єктах. Згодом було встановлено, що спадкові зміни зумовлюються всіма.іншими видами проникаючої радіації.

Для штучних мутацій часто викорис­товують гамма-промені, джерелом яких у лабораторіях звичайно є радіоактив­ний кобальт (60Со). Останнім часом для індукування мутацій все частіше використовуються нейтрони, які мають велику проникаючу здатність. При цьо­му відбуваються і розриви хромосом, і точкові мутації. Вивчення мутацій, викликаних дією нейтронів і гамма-променів, пояснюється двома причина­ми. По-перше, встановлено, що гене­тичні наслідки атомних вибухів пов'я­зані перш за все з мутагенним впли­вом проникаючої радіації. По-друге, фізичні методи мутагенезу використо­вуються для одержання цінних у гос­подарському відношенні сортів куль­турних рослин.

При опроміненні виникають як ген­ні мутації, так і структурні хромосомні перебудови усіх описаних вище типів: нестачі, інверсії, подвоєння і трансло-кяції, тобто всі структурні зміни, по-іі'язані з розривом хромосом. Це пояс­нюється особливостями процесів, які відбуваються у тканинах при дії випро­мінювання. Воно викликає у тканинах іонізацію, у результаті якої одні атоми втрачають електрони, а інші приєдну­ють їх: утворюються позитивно чи не­гативно заряджені іони. Подібний про­цес внутрішньомолекулярної перебудо­ви, якщо він спостерігався у хромосомах, може викликати їхню фрагмента­цію.

Останнім часом доведено, що зв'я­зок між опроміненням і мутаційними змінами може носити і непрямий ха­рактер. Мабуть, енергія випромінюван­ня може викликати у середовищі, яке оточує хромосому, хімічні зміни, здат­ні індукувати генні мутації і структур­ні перебудови у хромосомах. Так, у бактерій і грибів можна збільшити частоту мутацій, вирощуючи їх у по­передньо опроміненому середовищі. От­же, мутації індукуються і пострадіа­ційними хімічними змінами середо­вища.

Одним із найнебезпечніших наслід­ків опромінення є утворення вільних радикалів ОН або НО2 з наявної у тканинах води. Ці радикали мають ви­соку реактивність і можуть розщеплю­вати багато органічних речовин, у то­му числі і нуклеїнові кислоти.

Встановлено, що для людини дозою рентгенівських і гамма-променів, яка подвоює кількість природних мутацій, є доза 0,5—1,5 Гр (50—150 рад.).

При всіх недоліках сучасної оцінки рентгенівського ефекту не залишаєть­ся сумнівів у серйозності генетичних наслідків, яких можна чекати у випад­ку безконтрольного підвищення радіо­активного фону навколишнього середо­вища. Небезпека подальшого випробу­вання атомної і водневої зброї очевид­на. Водночас використання атомної енергії у генетиці і селекції дозволить створити нові методи отримання змін спадкової інформації рослин, тварин і мікроорганізмів, глибше зрозуміти процеси генетичної адаптації організмів.

Інші мутагенні фактори. Перші дослідники мутаційного проце­су недооцінювали роль факторів зов­нішнього середовища у явищах мінли­вості. На початку XX ст. деякі дослід­ники навіть вважали, що зовнішні впливи не мають ніякого значення для процесу виникнення мутацій. Згодом ці уявлення були відкинуті завдяки штучному відтворенню мутацій за допомогою різних факторів зовнішнього середовища. Сьогодні вже можна сказати, що немає таких факторів зовніш­нього середовища, які б якоюсь мірою не позначалися на змінах спадкових властивостей. Із фізичних факторів, крім. іонізуючої радіації, встановлена мутагенна дія ультрафіолетових променів, фотонів світла і температури. Підвищення. температури збільшує кількість мутацій. Але температура належить до тих агентів, проти яких у організмів існують захисні механізми, внаслідок чого гомеостаз порушується незначно. У зв'язку з цим температурні впливи дають невеликий мутагенний ефект у порівнянні з іншими агентами.

До біологічних мутагенів відносять віруси і токсини ряду організмів, особливо цвільових грибів. У ряді вітчизняних і закордонних лабораторій було встановлено велику кількість хромо­сомних аберацій у культурах мікроорганізмів та клітин тварин і людини, які були вражені вірусами. Виявилось також, що віруси викликають мутації у рослин і тварин. При цьому мутагенну дію мають не тільки патогенні для даного організму віруси. Так, у дрозофіли отримали ряд мутацій дією вірусу лейкозу мишей. Причина цього явища, мабуть, криється у здатності вірусів викликати глибокі зміни метаболізму клітини. Таким чином, роль вірусів у природі полягає у тому, що вони є не тільки збудниками багатьох хвороб рослин, тварин і людини, але і причиною багатьох спонтанних мутацій.

Дата добавления: 2015-05-24