Многообразные формы преобразования генов при мутациях могут в отношении их действия быть приблизительно классифицированы на основные типы. Крайним типом нарушения данного локуса хромосомы является его разрушение, выпадение из хромосомы. Такая нехватка отдельных генов ведет к гибели клеток, гомозиготных по потере. Демерец специально изучал этот вопрос и показал, что лишь в сравнительно редких случаях такие разрушения генов не убивают клетки. Эти факты вскрыли громадную роль индивидуального влияния каждого из генов на клеточную физиологию. Генотип является сложной системой, в которой каждый ген представляет собой незаменимый элемент. Однако это положение, конечно, не имеет абсолютного характера. Имеется несколько случаев, в которых показано, что потеря генов не приводит к летальности. В некоторых случаях такая потеря проявляется в форме рецессивной мутации. Мак-Клинток описала ряд нехваток отдельных локусов в хромосомах кукурузы, которые в гомозиготном состоянии дают те же признаки, что и рецессивные мутации этих локусов. У дрозофилы особи, гомозиготные по нехватке определенного локуса на левом конце половой хромосомы, проявляют те же признаки (желтая окраска тела), что и рецессивная мутация этого локуса.
Если бы такие факты были обнаружены во времена Бэтсона, он бы признал свою теорию «присутствия—отсутствия» доказанной. Однако сейчас совпадение признаков нехватки с рецессивной мутацией говорит лишь о том, что одной из форм мутации гена является инактивация функции локуса, в результате чего такая мутация по своим свойствам совпадает с реальной нехваткой. Изменение признака, вызванное такой инактивацией, обусловлено потерей определенной элементарной функции в системе генотипа.
Природа изменений генов при разных мутациях сложна и разнообразна. Меллер классифицирует действие разнообразных аллелей на следующие пять групп.
1. Гипоморфы — мутационные аллели, обладающие тем же свойством, что и исходный нормальный аллель, но в ослабленной степени. Штерн подробно изучил этот тип мутаций на примере гена bobbed у дрозофилы, который укорачивает длину щетинок. Используя дупликации участков половой хромосомы, в которой локализован ген bobbed, Штерн показал, что накопление мутационных аллелей ведет к восстановлению нормального развития.
Райт хорошо вскрывает такой характер действия целого ряда аллелей, принадлежащих к серии аллелей гена С у морских свинок. Известно пять аллелей этого гена (С, ck, cr, cd, ca), которые определяют развитие разного количества пигмента меланина в шерсти, и при этом в гетерозиготных генотипах наблюдается их промежуточное проявление (кроме С) (табл. 10).
В проявлении разных аллелей серии С имеются три главных уровня: 1) у животных развивается полная пигментация при наличии нормального аллеля С как в гомо-, так и в гетерозиготном состоянии; 2) при гомо- и гетерозиготности всех аллелей, кроме аллеля ca, наблюдается уровень промежуточного проявления в разной степени и 3) отсутствие пигментации наблюдается при генотипе саса. Крайний аллель этой серии — са является уже не гипоморфом, а аморфом.
2. Аморфы — мутации генов, которые приводят к появлению аллелей, связанных с инактивацией генов. Эти аллели являются полными рецессивами, любой другой ген данной серии аллелей у гетерозигот по аморфу будет проявляться. У гомозигот по аморфам определенный признак не развивается. Нормальный аллель у кролика даст окрашенное животное, а аморфный аллель — альбиноса, т. е. животное, лишенное пигментации. Инактивация может коснуться не всех функций гена, а только части их.
У бабочек амбарной огневки ген а+ обеспечивает пигментацию личинки и черную окраску глаз взрослой бабочки. Мутация a— аморфна, при ее наличии блокируется развитие обоих признаков, аллель аk аморфен только в отношении пигментации личинок. В ряде случаев появление аморфных аллелей обусловлено разрушением микроучастков хромосом, ведущим к утере из данной хромосомы определенного гена. В громадном большинстве случаев могут существовать лишь гетерозиготы по таким потерям, где последние ведут себя как аморфные аллели. Гомозиготы по потерям нежизнеспособны. Это показывает, что почти каждый ген наряду с незначительным фенотипическим эффектом (пигментация, окраска глаз и т. д.) связан с наличием каких-то существенных веществ и процессов в клетке. Использование нехваток позволяет осуществить точнейшую локализацию определенных генов. У дрозофилы удалось показать локализацию отдельных генов в пределах определенных хромомеров в гигантских хромосомах из клеток слюнных желез. На рисунке 72 представлена локализация нескольких генов в левом конце половой хромосомы, проведенная с помощью анализа 13 нехваток разных участков хромосом. Так, для всех нехваток, в которых не было участка 3—С—1, была констатирована потеря гена W (W—красные глаза; w — белые), при нехватках участка — 3—С—7 терялся ген fa (Fa — нормальная структура фасеток в глазу; fa — грубые фасетки) и т. д. Сопоставление разных нехваток в гетерозиготе позволило дать исключительно точную локализацию генов. Диски (хромомеры), в которых локализованы гены, — это участки хромосом, богатые ДНК. Особый интерес представляют те случаи, когда реальные нехватки в гомозиготном состоянии дают жизнеспособных особей. Как было указано выше, особи, гомозиготные по таким нехваткам, проявляют признаки, характерные для наиболее
рецессивных аллелей, т. е. аморфов. Ряд таких нехваток изучила Мак-Клинток у кукурузы.
При наличии нормальных хромосом у растений кукурузы хлорофилл развивается нормально. При потере концевого хромомера одной из хромосом гомозиготы по этой нехватке оказываются бледно-желтыми, а при потере этого хромомера обеими хромосомами гомозиготы оказываются полными альбиносами.
Установлено, что у дрозофилы гомозиготные по ряду генов формы развивают одинаковые признаки как в случае мутаций к аморфным аллелям, так и в случае разрушения соответствующих хромомеров. Это касается генов achaete (отсутствие щетинок), yellow (желтое тело), roughest2 (грубые глаза) и white (белые глаза).
Одним из методов, позволяющих отличить появление аморфных аллелей от нехваток, служит получение обратных мутаций. Аморфные аллели способны мутировать к нормальным аллелям, в то время как нехватки уже не восстанавливаются обычными мутационными изменениями.
3. Гиперморфы — мутации от более слабых аллелей к более сильным. При возникновении гиперморфов появляются аллели, количественно отличающиеся по выработке тех первичных продуктов в клетке, которые обеспечивают нормальное развитие определенного признака. Это показывает, что мутационный скачок может привести к резкому поднятию количества первичных продуктов гена в клетке. В обычных условиях улавливать такие мутации трудно, так как их действие фенотипически совпадает с влиянием нормальных аллелей. В связи с этим встает вопрос: являются ли обратные мутации от гиперморфов всегда однозначными, т. е. дают ли они одно и то же состояние какого-то определенного исходного нормального аллеля, или таких алеллей может быть несколько?
Анализ проблемы показал, что, действительно, понятие нормального аллеля до сих пор было недифференцировано. Оказалось, что существует ряд мутаций, изменяющих эффективность нормальных аллелей. Их функции могут быть выше, чем у нормальных аллелей, широко распространенных в данной популяции, сорте или виде и достаточных для создания условий нормального развития. Такие мутанты дают первичных продуктов гораздо больше сравнительно с обычным нормальным аллелем, т. е. функционально являются гиперморфамй. Кроме того, поскольку такие мутационные аллели внешне друг от друга не отличаются, они находятся в спектре мутаций, не обнаруживаемых в обычных условиях; такие мутации наряду с термином «гиперморфы» называют также изоаллелями (см. выше).
4. Неоморфы — мутации, ведущие к появлению аллелей с новыми функциями. До сих пор при рассмотрении всех типов мутаций генов мы имели дело с видоизменениями тех или иных функций нормальных аллелей. Мутационные аллели касались тех же функций, которые контролируются нормальным аллелем. Благодаря этому как между нормальным аллелем и мутацией, так и между мутационными аллелями обнаруживается картина их взаимодействия в форме доминантности, промежуточного проявления, нарастания эффекта при накоплении гипоморфов и т. д.
Однако существуют такие мутации, при которых гены приобретают новые функции. А. С. Серебровский при работе по вызыванию мутаций рентгеновскими лучами нашел у дрозофилы новую доминантную мутацию, имевшую глубоко вырезанные крылья. Эта мутация обладала одним из существенных признаков неоморфа: она характеризовалась полной доминантностью над нормальным аллелем. Такой же особенностью обладают и многие другие доминантные мутации у дрозофилы (Hw — щетинки на крыльях; D — расставленные крылья и др.). То, что в случае Hw действительно мы имеем дело с неоморфом, было доказано специальным анализом. Были получены формы, имевшие наряду с мутацией Hw один-два нормальных аллеля или не содержащие его (нехватки локуса Hw). Все эти генотипы давали особей, не отличавшихся друг от друга по своим признакам:
Таким образом, в этих случаях нормальный аллель не влияет на развитие признака Hw, т. е. нормальный аллель в этих реакциях развития выступает как аморф. Этот, а также и другие опыты показали, что при мутациях такого типа у гена появляются новые функции, которыми не обладал исходный нормальный локус. Мутации этого типа получили название неоморфов.
К категории неоморфов следует отнести мутации антигенных свойств и некоторые другие. Мы видели раньше, что для мутаций, связанных с появлением разных антигенов, характерным свойством является независимость их действия от других генов, связанных с образованием других антигенов.
5. Антиморфы — мутации, подавляющие эффект действия нормальных аллелей. При увеличении количества гипоморфных аллелей в клетке эффект их суммируется в направлении приближения к нормальному развитию признака. Однако имеется другая категория мутаций, которая внешне имеет таксой же характер проявления, т. е. приводит к ослаблению нормального развития признака, и которая вместе с тем резко отличается по своим свойствам. Эти аллели не восстанавливают частично утраченные реакции, как это наблюдается для гипоморфов, а подавляют их. В результате нарастание количества аллелей в клетке ведет ко все большему нарастанию отличий от нормального развития. Такие аллели получили название антиморфов. У кукурузы хорошо изучено взаимодействие аллелей в серии гена А, по-разному влияющих на антоцианы, антоксантины и некоторые другие пигменты в разных тканях растения в алейроне и перикарпе зерна Аллель Аbr обусловливает развитие пурпурной окраски алейрона аp — розового алейрона и а — бесцветного. Было показано, что гетерозиготы Аbr/а развивают большее количество пурпурового пигмента сравнительно с гетерозиготами Аbr/аp. Поскольку аллель аp более близок к норме сравнительно с аллелем а, то с позиций гипоморфного действия гетерозиготы Аbr/a должны быть ближе к норме сравнительно с гетерозиготами Аbr/аp. Однако на самом деле они дальше от нормы. Аллели Аbr и аp вступают в соревнование и удаляют развитие признака от нормы.
То же явление обнаружено у дрозофилы на примере гена cubitus interruptus (ci — прерванная четвертая жилка на крыле). У гетерозигот по двум мутантным аллелям ci/ciw перерыв жилки больше сравнительно с гетерозиготами: ciw/н (н— нехватка). В этом случае наличие одного мутантного аллеля дает развитие более близкое к норме сравнительно с особями, имеющими два аллеля, вступающих между собой в соревнование и ослабляющих развитие. К антиморфам относятся такие мутационные доминантные аллели, которые подавляют развитие нормальных признаков, как, например, аллель I у кур, дающий белую окраску путем подавления развития пигмента, и ряд других.
Яркие примеры анализа первичного действия генов в клетке обнаружены в работах по иммуногенетике. Зависимость наличия ряда антигенов в крови от действия определенных генов сейчас установлена очень точно. Это было показано нами выше на примере наследования групп крови А, В, АВ, 0 и фактора Rh у человека. Изучение наследования иммунологических различий организмов имеет очень большое значение. Ирвин назвал эту новую отрасль науки иммуногенетикой.
Известно, что антитела появляются в крови в ответ на внесение в организм чуждого антигена. Почти все белки действуют как антигены, однако, кроме того, антигенными свойствами обладают некоторые полисахариды, липиды и другие вещества. Реакция антител с антигеном глубоко специфична, антитела связывают только те антигены, которые вызвали их образование. Для сравнения антигенов двух данных организмов сыворотку крови или клетки вводят постороннему неродственному организму (обычно кролику). Кролик вырабатывает специфические антитела на все введенные антигены. После этого сыворотка иммунизированного кролика исследуется на антигены второго организма. В случае наличия общих антигенов реакция антител кролика с антигенами второго организма приведет к реакции преципитации или агглютинации клеток, таких, как эритроциты. Генетический анализ установил, что свойства отдельных антигенов зависят от действия одного гена. Иммунологические различия представляют собой важнейшие различия между организмами, связанные с химической структурой клеток и тканей. Антигенные различия имеются у всех животных и растений, начиная от примитивных одноклеточных форм и кончая высшими формами. Многие из антигенов видоспецифичны.
Важнейшая черта закономерностей наследования многих антигенных различий состоит в том, что при этом не наблюдается ни правило доминирования, ни промежуточное и никакие другие взаимоотношения аллелей. Гибрид проявляет все антигены, характеризующие родителей. Это показывает, что антигены непосредственно появляются в клетке под прямым воздействием гена, а не в результате какой-либо цепи биосинтезов, ибо при
наличии такой цепи должна была бы иметь место картина взаимодействия генов (рис. 73).
Для понимания природы действия генов большое значение имеют те случаи, когда оно связано с появлением в клетке специфических ферментов. Много примеров подобного рода было изучено Бидлом и другими авторами при работе с биохимическими мутантами плесени нейроспоры, у которой было получено много разных линий, отличающихся одним мутантным геном. Эти линии отличались от нормальных тем, что были не в состоянии синтезировать определенные вещества, благодаря чему мутанты развивались только на среде, куда такое вещество добавлялось. Ряд линий требовал добавления в среду витаминов — тиамина, никотиновой кислоты, парааминобензойной кислоты, или пантотеновой кислоты и т. д. То же касается потребностей в аминокислотах — триптофане, аргинине, валине, лейцине и др. Изучение биохимии и генетики таких линий показало, что мутантные гены теряют функции нормальных генов и не вырабатывают в клетке определенных ферментов, в силу чего цепь биосинтез обрывается в соответствующем месте. На рисунке 74 дана цепь биосинтеза орнитина и аргинина. Цифрами обозначены стрелки, показывающие места, в которых биосинтез прекращается при наличии определенной мутации, не обеспечивающей синтеза нужного фермента. Мы видим, что реакции, приводящие к образованию орнитина, могут быть прерваны четырьмя разными мутациями. Переход орнитина в цитрулин может быть блокирован двумя разными мутациями, а цитрулина в аргинин одной.
Сущность влияния генов на развитие определенных химических признаков хорошо изучена на примере развития окраски цветков. Основными веществами, определяющими окраску, служат антоцианы, антоксантины и каротиноиды. Разнообразие красок обусловлено наличием или отсутствием каждого из пигментов, что определяется структурными изменениями молекул, степенью кислотности клеточного сока (рН) и т. д. Все эти факторы изменяются под воздействием разных мутаций. Антоцианы дают ряд окрасок от красной (кислый сок) до голубой (щелочной сок), антоксантины — различные желтые окраски и слоновой кости. Ряд мутаций определяет степень окисления фенольного кольца, которое входит в состав обоих пигментов. При наличии группы ОН в позиции З1, 41 и 51 появляется дельфиний, наличие которого доминирует над развитием как пеларгонидина, так и цианидина, имеющего группу ОН в позиции З1 и 41. В этом случае наиболее окисленный пигмент доминирует над менее окисленным: дельфинидин>цианидин>пеларгонидин. В других случаях мутации вызывают замену группы ОН на Н в положении 3 в молекуле антоцианидина, изменяют положение метильной группы и т. д. В этих случаях методы биохимической генетики привели к установлению фактов, показавших, что отдельные мутации генов определяют наличие и расположение элементарных радикалов и атомов в молекулах пигментов. Также и в этом случае первичный характер действия генов, по-видимому, связан с изменением ферментов, регулирующих разные ступени биосинтеза пигментов.
Яркий пример прямого действия генов в клетке был дан Мангелсдорфом и Фрапсом при изучении образования витамина А у кукурузы. Ген Y определяет у кукурузы развитие желтого эндосперма и витамина А, а аллель у — белого эндосперма и каротиноида вместо витамина А. Поскольку эндосперм имеет триплоидный набор хромосом, то соответствующими скрещиваниями оказалось возможным получить зерна, эндосперм которых обладал разным соотношением аллелей Y и у. Были получены формы с эндоспермом генотипов — ууу, yyY, yYY и YYY. Семена, имевшие каждый из четырех генотипов, проверялись на количество в них витамина А. Стандартная методика определения количества витамина А путем скармливания зерна крысам показала, что указанные генотипы содержат его в следующих количествах: 0,12; 0,25; 5,00 и 7,50 соответственно нарастанию количества аллелей Y. Прямой биохимический анализ дал ту же картину. Зависимость количества витамина А от действия гена У была прямой.
Таким образом, очевидно, что мутации генов приводят к появлению в клетке новых первичных эффектов, изменяющих многообразные биохимические реакции. Доказано, что многие такие эффекты связаны с изменением качества или степени активности ферментов и их комплексов или с изменением других макромолекулярных систем в клетке. Анализ подобных первичных эффектов действия генов ближе всего может подвести нас к пониманию природы гена.
Известны две главные первичные функции генов. Первая — это способность их к авторепродукции. Эта коренная, поразительная по своей природе черта, характеризующая живое, причем главная особенность, составляющая сущность явлений наследственности, состоит в том, что гены при размножении в процессе удвоения создают рядом с собой наследственные структуры, которые воспроизводят исходные гены, т. е. происходит так называемый процесс автокатализа. Не будь этого удивительного свойства генов — способности к автокатализу, не было бы и явления наследственности.
Мутации изменяют, нарушают матрицу для этого процесса воспроизведения, они ведут к появлению нового. Однако и мутационно возникшие новые формы наследственных структур начинают повторяться тем же путем автокаталитического повторения. Сущность этого процесса удвоения в настоящее время проясняется благодаря анализу молекулярной природы нуклеиновых кислот.
Другая первичная функция генов — это их воздействие на физиологию клетки путем создания первичных продуктов генов, входящих в рабочую биохимическую систему клетки. В настоящее время в свете данных о взаимоотношении нуклеиновых кислот и аминокислот в процессах синтеза белков основные принципы действия генов разъяснены. Факт образования в цитоплазме специфических белков под воздействием отдельных локусов хромосом не вызывает сомнений.
Понятие о гене является основным в генетике, так как оно характеризует главнейшую черту наследственности, ее дискретность. Однако что же такое ген? Каковы его физические особенности, какими свойствами он обладает в качестве единицы наследственности?
Морган, обосновывая теорию гена с позиций хромосомной теории наследственности, выдвинул положение, что ген представляет собой корпускулу, что хромосома составлена из генов, как нитка из бус, где отдельные бусинки представляют собой гены. Данные о наличии множественных аллелей свидетельствовали, по мнению Моргана, о том, что ген при мутациях всегда изменяется в целом. Изучение перекреста якобы показало, что перекрест проходит между генами; в результате возникло представление, что ген недробим, что он целиком как морфологическая отдельность ведет себя во всех процессах мейоза.
Н. К. Кольцов, опираясь на эти представления и исходя из развитой им идеи, что хромосома представляет собой гигантскую белковую макромолекулу, высказал предположение, что гены представлены в такой молекуле белковыми радикалами. Согласно воззрениям этого периода ген, занимающий определенный локус в хромосоме, представляет собой единицу структуры, функции и рекомбинации.
Однако новые данные по генетике и цитологии, физике и химии хромосом рисуют сейчас новую картину наследственных структур, далеко продвинувшуюся вперед сравнительно с упрощенными механистическими воззрениями Т. X. Моргана — одного из основателей теории гена. Ниже мы увидим, что ген — это точно определимая молекулярная структура сложного строения и функций. Ген представляет собой сложного строения отрезок внутри молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и обладает интегральной функцией.
—Источник—
Дубинин, Н.П. Горизонты генетики/ Н.П. Дубинин. – М.: Просвещение, 1970.- 560 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
