big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Ступенчатый аллелизм и псевдоаллелизм

Впервые своеобразные явления, не укладывавшиеся в старую гипотезу гена, были обнаружены в связи с открытием явления ступенчатого аллелизма. Н. П. Дубинин, изучая мутации гена scute (редукция щетинок) у дрозофилы, показал, что концепция Моргана о том, что при мутациях происходит преобразование гена как элементарной неделимой единицы, не может объяснить новых фактов. Применение рентгеновых лучей позволило Н. П. Дубинину, А. С. Серебровскому, И. И. Аголу и другим получить обширную серию аллелей scute. Анализ отдельных аллелей и изучение их взаимоотношений в гетерозиготных структурах привели к выводу, что этот ген представляет собой сложную систему, в которой при мутациях разные части изменяются по-разному. В некоторых случаях два рецессивных аллеля одного и того же гена изменяли в такой мере разные центры гена, что гетерозиготы по ним не проявляли мутационных признаков, такие гетерозиготы имели нормальный фенотип. Так впервые было открыто явление комплементарности, играющей большую роль в современной генетике бактерий и фагов.

На основе фактов, говорящих о возможности мутирования 1 частей гена, Н. П. Дубининым была создана центровая теория гена, согласно которой ген надо рассматривать как сложную систему. Детальнейший анализ многочисленных мутаций локуса scute, а затем и непосредственно соседнего с ним локуса achaete, полученных в опытах с использованием ионизирующих излучений, позволил вскрыть линейное взаимоотношение отдельных центров — частей внутри гена (рис. 76). Разработка линейного плана внутренней организации гена вызвала в свое время многочисленные критические замечания. Однако сейчас, в свете современных идей о генетической специфичности отрезков линейной цепи полинуклеотидной молекулы ДНК, представление о линейности во внутренней организации гена, напротив, оказывается очевидным как на основе генетических данных, так и в свете молекулярной организации наследственных структур.

Таким образом, в противовес старой теории о гене как об элементарной корпускуле изучение фактов ступенчатого аллелизма привело к тому, что ген стали рассматривать как сложное образование, целостное действие которого является следствием интеграции его частей. В свое время в качестве одной из характернейших черт строения генотипа считалось отсутствие

Ступенчатый аллелизм гена у дрозофилы

какой-либо физиологической организации в распределении и действии генов. Карты хромосом показывали, что порядок локализации генов с различной функцией имеет полностью хаотический характер. Исследования по ступенчатому аллелизму подвергались критике и с этой точки зрения, так как они указывали на наличие какого-то особого порядка в расположении центров внутри гена. Большой сложный ген scute у дрозофилы разбивался на группу центров, или субгенов, расположенных в линейном порядке, причем функционально каждый из этих субгенов оказывал влияние на развитие одного и того же признака — наличия или отсутствия щетинок на разных частях тела. Более того, соседний ген — achaete оказался составленным из субгенов, которые оказывали влияние на тот же признак. Таким образом вскрывалась картина, казавшаяся странной со старых позиций, когда определенный участок хромосомы оказывался занятым линейно повторяемым генетическим материалом, имеющим однородную функцию. Принципиально однородные субгены складывались в сложную систему гена scute, а в прямой близости от него оказывался аналогичный сложный ген achaete. Сосредоточение такого комплекса однородного генетического материала на определенном отрезке хромосомы, где он слагался в непрерывную структуру, не могло быть случайным. Эти факты вскрывали элементы какой-то новой, ранее неизвестной организации в наследственных структурах организмов.

Для разработки проблем ступенчатого аллелизма большое значение имели факты, касающиеся закономерностей мутирования в сложной системе генов scute и achaete.

Изложенные выше результаты работы показали, что ген не является последней, элементарной единицей генетической структуры, т. е. элементарной, неделимой частью хромосомы. Напротив, они привели к выводу, что ген делим и понять его строение и действие в целом можно только на основе интеграции действия его частей.

Исследования закономерностей мутирования привели к выводу, что ген не может рассматриваться как единица ив процессе его изменения. Анализ мутаций, давших целый ряд разных аллелей генов scute и achaete, показал, что мутации в большинстве случаев не захватывают целиком весь ген, они касаются той или иной группы субгенов, линейно расположенных рядом. Делимость гена ярко проявилась в процессе изменений, идущих внутри гена. Было показано, что мутации могут затрагивать ту или иную часть гена, оставляя неизменным его остальные части.

С другой стороны, было установлено, что могут возникать обширные мутации, которые сразу в одном акте изменения захватывают или целиком оба соседних гена, или пограничные участки этих двух генов.

Собственно гены scute и achaete практически представляют собой обширный единый локус с общим внутренним планом строения. Для таких систем старая концепция гена не признавала возможности внутренних рекомбинаций. Встал вопрос: так ли это? Н. П. Дубинин, Н. Н. Соколов и Г. Г. Тиняков провели специальные опыты и показали, что внутри этого большого сложного гена отдельные его части можно разделить перекрестом. Таким образом, не осталось сомнений в том, что анализ мутаций не только вскрыл сложную структуру гена, но и показал, что мутации могут затрагивать отдельные субгены безотносительно границ генов. Принципиальное различие между внутригенными связями (предполагаемые связи через негенное вещество, якобы разделяющее один ген от другого) потеряло свое значение. Абсолютные рубежи, грани между генами, которые казались абсолютными, так как гены представлялись в виде корпускул, отдельностей, потеряли свое значение.

Мнение о том, что каждый ген индивидуально определяет появление в клетке специфического незаменимого вещества, долгое время служило основой для чисто корпускулярной теории действия гена как целого. Наиболее яркие данные в пользу этого воззрения получены благодаря выдающимся открытиям в области биохимической генетики, которые вскрыли генетическую обусловленность многих процессов биосинтеза аминокислот и витаминов. Как указано выше, в этих случаях было точно установлено, что действие гена связано с выработкой им определенного фермента. Иммуногенетические исследования вскрыли прямую зависимость специфических антигенов от отдельных генов. Опираясь на эти факты, Бидл и Татум сформулировали свой известный афоризм: «один ген — один фермент». В этом представлении функциональная дискретность в действии генов имела в основе идею о функциональной неделимости в действии гена. Понадобилось открытие механизма синтеза белков, чтобы показать сложный комплекс матрицы гена — ДНК в его функции по синтезу белков.

Однако, как было указано выше, исследования по ступенчатому аллелизму генов scute achaete у дрозофилы установили факт скопления в отдельных локусах хромосом линейно повторяющихся гомологичных элементов, функции каждого из которых были частью в интегрированном эффекте целого гена.

Грюнберг, Серебровский, Дубинин и Болотов высказали мысль, что аккумуляция гомологов в локусе осуществляется на основе дупликаций генов, функции которых постепенно эволюционно дифференцируются.

Однако вне зависимости от характера происхождения такого скопления гомологичных локусов было ясно, что оно не может быть случайным, что оно указывает на какой-то неизвестный нам пока особый принцип в организации наследственных структур. Факты скоплений гомологов, открытые на примере центров в аллелях scute achaete, в настоящее время подтверждены и показано их большое значение в наследственных структурах самых разных организмов. Вскрыв особые черты их действия в таких группах гомологичных генов, Люис назвал их псевдоаллелями. Однако еще до анализа явления псевдоаллелизма Грюнберг указал, что у дрозофилы можно насчитать более 50 таких групп скоплений гомологичных локусов.

Начиная с 1940 г. проблема вступила в новую фазу. Целый ряд исследователей обнаружили, что такие группирующиеся в одном месте гомологичные гены показывают сложные явления аллелизма. Сейчас эта важнейшая глава генетики, посвященная анализу взаимоотношения генов в хромосоме, получила название исследований по псевдоаллелизму.

Оливер обнаружил, что два аллеля гена lozenge (блестящие, глянцевитые глаза), взаимоотношения которых во многом имеют характер ступенчатого аллелизма, являются не истинными аллелями, а двумя рядом локализованными гомологичными генами. Между ними осуществляется перекрест.

Люис обнаружил явление псевдоаллелизма для групп генов у дрозофилы star asteroid, stubble stubboid, bithorax bithoraxoid и white apricot. Он установил факты эффекта положения для псевдоаллелей. Грин установил псевдоаллелизм для генов серии vermillion. Грин и Грин показали, что серия lozenge распадается на три псевдоалледьных локуса. Роппер и Понтекорво обнаружили псевдоаллелизм на трех мутантах у Aspergillus nidullus, нуждающихся в биотине; Демерец — на бактериях; Лафгнен — на кукурузе; Стефенс — на хлопчатнике; Стормонт — на группах крови у крупного рогатого скота и т. д. Таким образом, оказалось, что явление такого скопления в хромосомах гомологичных локусов имеет всеобщий характер, отражая наличие какой-то общей закономерности в организации наследственных структур. Для обозначения таких тесно сцепленных генов, имеющих одинаковое действие, были предложены разные названия. Коман предложил назвать их гены-близнецы, Меллер — полуаллельные гены. Лафгнен, считая, что важно подчеркнуть близость таких генов в хромосоме, их расположение рядом (по-латыни para), предложил термин «параллели», и т. д. Однако в настоящее время удержался и общепринят термин «псевдоаллелизм», ибо он подчеркивает, что разные локусы связаны между собой особым функциональным единством (аллелизмом), который, однако, не тождествен обычной форме аллелизма.

В чем же выражается это функциональное единство группы генов, связанных псевдоаллелизмом? Известно, что аллелями называются разные состояния одного и того же гена, возникающие путем взаимообратимых мутаций одного локуса. Характернейшей особенностью рецессивных аллелей служит их проявление только в гомозиготном состоянии. Например, аллель sh, который в гомозиготном состоянии (sh sh) обусловливает появление сахаристости у кукурузы, не проявляется в гетерозиготах (Sh sh), которые оказались обычной крахмалистой кукурузой. Эти простые факты, однако, очень важны для теории наследственности. Они показывают, что действие гена глубокоспецифично. В данном генотипе громадное количество других генов не может заменить функции одного определенного нормального аллеля в его доминировании над рецессивом. Для того чтобы рецессивный аллель проявился, надо из генотипа убрать только один нормальный аллель того же локуса. Этот вопрос долгое время казался совершенно ясным. Многообразие мутаций одного и того же локуса, дающих проявление рецессивов в гомозиготах, рассматривают как изменения одного и того же гена, дающего серию разных мутаций, так называемую серию аллелей. Однако, как указано выше, в ступенчатых аллелях серии scuteachaete было обнаружено скопление гомологичных генов в одном участке хромосомы. Принципы взаимоотношений этих генов характеризовались обычной картиной неаллельности разных локусов и их участков. Было высказано предположение, что хотя причину появления скопления гомологов следует искать в дупликациях одного и того же гомологичного локуса, однако эволюция каждого из центров внутри гена привела к такой дивергентной эволюции, что они перестали быть аллелями.

При изучении явлений псевдоаллелизма были установлены промежуточные этапы эволюции. В этих случаях гомологичные гены, лежащие рядом в хромосоме, хотя и различаются в ряде функций, однако еще сохранили те глубокие взаимоотношения, благодаря которым возникает и удерживается в генотипе само явление скопления гомологов в одном участке хромосомы. В результате обнаруживается парадоксальная, с точки зрения старых позиций, картина, когда разные локусы, самостоятельность которых доказывается наличием между ними перекреста, для которых генетически, а в ряде случаев и цитологически установлен определенный порядок последовательности по длине хромосомы (а эти признаки всегда характеризовали неаллельность генов), оказываются, вопреки всему этому, аллелями. До самого последнего времени все аллельные гены рассматривались как изменение одного и того же локуса. Когда же было обнаружено, что среди серий аллелей скрыты мутации разных локусов, такие локусы были названы псевдоаллелями. Своеобразные и глубокие взаимоотношения между псевдоаллелями позволили открыть комплексность первичного действия генов в связи с их организацией внутри хромосомы. Группа псевдоаллелей может оказывать функционально комплексное единое действие, по-видимому, на основе сопряжения серии биохимических реакций, последовательность которых регулируется взаимоположением псевдоаллелей в хромосоме.

Наличие такой функциональной связи между псевдоаллелями отчетливо проявляется в явлениях эффекта положения псевдоаллелей, т. е. в условиях разной генетической изомерии.

Люис, открывший это явление, назвал один из двух основных типов генетических изомеров цис-типом. В этом случае два мутантных псевдоаллеля находятся в одной хромосоме (ab/++).

В цис-типе наблюдается полное доминирование нормальных аллелей и оба рециссивных мутантных аллеля не проявляются. В другом генетическом изомере, названном транс-типом, мутантные псевдоаллели находятся в разных хромосомах (а+/+b).

В этом случае обнаруживается псевдоаллелизм и рецессивные признаки проявляются.

Грин и Грин изучили 19 независимых мутаций, давших развитие признака lozenge. Они оказались связанными с изменениями в трех рядом расположенных локусах. Между этими локусами с ничтожной частотой происходил перекрест (0,09 и 0,06%). Взаиморасположение этих локусов, каждый из которых имеет свою серию аллелей, имеет такой вид:

Путем перекреста были получены хромосомы с разным взаимоположением мутантных аллелей трех локусов. Цис-тппы во всех случаях обнаруживали нормальные признаки, а транс-типы — проявление рецессивов:

Таким образом, особи, имеющие одинаковый генотип, но разное расположение в хромосомах трех псевдоаллелей, обнаруживают ясную картину генетической изомерии. У всех транс-типов, при которых псевдоаллели расположены в разных хромосомах, развивается фенотип рецессивных мутантов. С другой стороны, для всех цис-типов, при которых мутантные псевдоаллели расположены в одной хромосоме, характерна полная рецессивность мутаций, у них развивается нормальный фенотип.

Исходя из представления о связанности функций псевдоаллелей, было предложено объяснить это загадочное влияние положения аллелей в разных генетических изомерах изменением цепи последовательных биохимических реакций. Это объяснение было предложено Понтекорво, который использовал теоретические положения о микромолярных реакциях, разработанные Мак-Илфайном. Люис также высказал, а затем детально разработал эти гипотезы.

В основу этого положена идея о том, что последовательность нормальных аллелей данной группы в хромосоме не имеет случайного характера, она отражает последовательность прохождения ряда биохимических реакций, в которых отдельный локус хромосомы определяет одно звено. Если мы имеем два псевдоаллеля (a+b+), то протекание цепи реакций будет иметь такой вид: действие первого псевдоаллеля +) служит причиной появления вещества А за счет реакции, которая преобразует какой-то исходный субстрат (С) в это вещество (реакция С→А). Второй псевдоаллель (b+) преобразует вещество А в вещество В (реакция А→В). В случае наличия большого числа рядом расположенных псевдоаллелей реакция приведет к появлению веществ D, Е и т. д. Условием для нормального протекания этой цепи реакций является близость внутри хромосомы нормальных аллелей и их порядок, обеспечивающий последовательность звеньев в цепи реакций. Вполне понятно, что мутация любого из нормальных локусов будет прерывать или нарушать течение реакций в соответствующих звеньях.

В свете этих представлений понятны различия функций генов в транс- и цис-типах. В случае цис-типа наличие двух нормальных аллелей в одной хромосоме ведет к нормальному появлению сначала вещества А, а затем вещества В. При транс-расположении в одной хромосоме имеется мутация одного псевдоаллеля (а), а в другой — другого (b). В одной хромосоме наличие мутации (а) ведет к образованию недостаточного количества вещества А, вследствие чего не образуется достаточного количества вещества В. В другой — наличие мутантного аллеля (b) не дает нормальной реакции А→В, вследствие чего также не образуется достаточного количества вещества В (<В). В результате характер взаимоположения псевдоаллелей в паре гомологичных хромосом определяет их функции, что показано на прилагаемой схеме:

Наличие цепи последовательных реакций представляется очень вероятным в свете данных ряда работ и особенно исследований Люиса по псевдоаллелям биторакс у дрозофилы, которые вызывают преобразование груди (торакса) у имаго. Известны спонтанные мутации в трех рядом расположенных псевдоаллелях: биторакс (bx3), ультрабиторакс (ubx+) и битораксоид (bxd+). Исходя из данных по цис- и транс-расположениям, была намечена следующая цепь реакций: bx+ubx+bxd+. Это представление было подтверждено данными по хромосомным перестройкам. Так, разрывы, которые отделяют bx+, ubx+,  bxd+ не изменили действия аллелей bx+ и ubx+, но вели к появлению крайнего проявления признаков bxd. Причиной этого был разрыв цепи реакций, так как удаление нормального аллеля bxd+ от соседнего локуса ubx+ не позволило завершиться последнему звену в цепи реакций.

На основании этих, а также ряда других опытов Люис высказал предположение, что действие трех псевдоаллелей биторакс связана с наличием трех веществ А, В и D, действие которых зависит от их концентрации. Последовательность реакций, начинающихся с использования исходного субстрата (С), имеет такой вид:

Таким образом, влияние нормального аллеля биторакс (bx+) приводит к превращению субстрата С в вещество А; нормального аллеля ультрабиторакс (ubx+) вызывает реакцию А→В и нормального аллеля битораксоид (bxd+) — реакцию: В→О.

Изучение перекреста позволило локализовать эти три локуса в таком порядке:

Аллели биторакс (bx, bx3, bx34l) рецессивны, они в разной степени вызывают изменения метаторакса, переводя его на уровень мезоторакса, в результате чего галтеры превращаются в образования, похожие на крылья, развитие которых характерно для структур мезоторакса. Аллели битораксоид (bxd, bxd100) также рецессивны, они вызывают сходные изменения метаторакса, и, кроме того, первый абдоминальный сегмент изменяется до уровня развития метаторакса; в результате на этом брюшном сегменте может развиваться пара ног (выросты метаторакса). Такие особи вместо шести имеют восемь ног. Аллель ультрабиторакс (ubx) доминантный, у гетерозигот он вызывает небольшое увеличение галтеров, в гомозиготах летален.

Люис следующим образом объяснил разное проявление признаков в основных комбинациях трех псевдоаллелей биторакс:

В первом случае проявление мутации связано только с изменением галтеров; причина этого — заметное уменьшение количества вещества В. В этом генотипе одна хромосома содержит нормальные аллели, в результате все три вещества (ABD) появляются в нормальном количестве. Однако заметное уменьшение вещества в другой хромосоме создает некоторую его недостаточность в целом. Во втором случае хотя состав генов тот же, однако налицо проявление рецессивной мутации биторакс, так как блокировка реакций имеет место в обеих хромосомах. Эта блокировка уменьшает количество вещества В, так как в одной хромосоме имеется резкое уменьшение количества этого вещества (<< В) в силу действия мутации bx, в другой — среднее уменьшение его количества (<В) из-за действия мутации bx34l. Признаки битораксоида здесь не проявляются, так как количество вещества D (<<D и <D) снижено еще недостаточно. В особях третьего генотипа проявляются признаки рецессивной мутации битораксоид, так как уменьшение количества вещества D достигает соответствующего уровня (<<D <<D). У этих особей количество вещества В находится на таком уровне, когда признаки мутации биторакс еще не проявляются (В и <<В). У особей четвертого генотипа благодаря снижению ниже порога нормы как вещества В (<В и <<В), так и вещества D (<<D и <<D) появляются комбинации признаков двух рецессивных мутаций — биторакс и битораксоид.

Объяснение различий между цис- и транс-типамп сделано на основании того, что вещества А, В и D не диффундируют в заметных количествах из данной хромосомы к гомологичной хромосоме. В противном случае генетическая изомерия не оказывала бы своего влияния. Однако в некоторых случаях диффузия все же имеет место. Этот факт установлен Люисом в его работе по новому типу эффекта положения. Люис показал, что большинство хромосомных перестроек, у которых хотя бы один разрыв прошел в любом месте между локусом биторакс и центромерой, т. е. на огромном участке хромосомы, содержащем более 500 дисков, вызывают эффект положения в транс-типе и не изменяют действие генов в цис-типе. Известно, что хромосомные перестройки нарушают конъюгацию гомологов. У дрозофилы благодаря тесному сближению гомологов при соматической конъюгации создается возможность проникновения вещества из одного в другой. Если это имеет место, тогда нарушение конъюгации, ведущее к пространственному разобщению нормальных аллелей, локализованных в транс-типе в разных хромосомах, должно приводить к нарастанию проявления мутационных признаков. Это и было показано в экспериментах Люиса.

Слабые аллели биторакс и битораксоид (bх и bxd) не проявляют псевдоаллелизма в транс-структурах. В этих случаях имеет место обычная картина рецессивности мутаций вне зависимости от их расположения в гомологичных хромосомах. В этом случае имеем:

Лишь в случае использования сильных аллелей (bx3, bx34l, bxd100) имеет место псевдоаллелизм, как это было показано выше.

Отсутствие эффекта положения в транс-типах у слабых аллелей биторакс и битораксоид свидетельствует, что в этих случаях взаимодействие между гомологами таково, что диффузия веществ обеспечивает перенос достаточного количества предшественников, чтобы обеспечить цепь реакций, ведущих к нормальному развитию.

Из сказанного следует, что различия между транс- и цис-гетерозиготами, с одной стороны, зависят от «силы» мутационных изменений, а с другой — от растения, отделяющего гомологичные хромосомы. У организмов, характеризующихся образованием пар хромосом в соматических клетках, как это происходит, например, у дрозофилы, имеются большие возможности для перехода веществ соответствующих аллелей от одной гомологичной хромосомы к другой. Если это имеет место, тогда можно изменять признаки транс-гетерозигот, не изменяя самих локусов псевдоаллелей, а только удаляя их один от другого и этим препятствуя сближению гомологичных хромосом, что затруднит диффузию веществ.

Затруднение взаимодействия между нормальными аллелями разных гомологичных хромосом в транс-гетерозиготах должно вести к усилению проявления признаков рецессивных псевдоаллелей. В случае цис-гетерозигот удаление гомологичных хромосом друг от друга не должно оказывать влияния на проявление признаков псевдоаллелей, так как в этом случае все нормальные аллели находятся в одной хромосоме. Изменения в проявлении транс-гетерозигот при наличии хромосомной перестройки были названы Люисом явлениями трансвекции.

Н. П. Дубинин, Б. Н. Сидоров, а затем В. В. Хвостова и А. А. Гаврилова, используя эффект положения гена cubitus interruptus, показали, что, наблюдая лишь за проявлением рецессива в гетерозиготе в тех случаях, когда в результате эффекта положения нормальный аллель теряет доминантность, можно судить о частоте определенного типа хромосомных мутаций. Использование этого метода открыло совершенно новые возможности учета частоты хромосомных мутаций при их вызывании ионизирующими излучениями и другими мутагенными факторами. В этом случае не надо проводить трудоемкой работы по цитологическому и гибридологическому установлению факта появления хромосомной перестройки. Они регистрируются просто по наличию проявления рецессивного аллеля в гетерозиготных структурах. Этот метод позволил уловить около 1% хромосомных изменений, наблюдаемых при прямом цитологическом изучении на хромосомах в клетках слюнных желез. Метод использования эффекта положения гена биторакс позволяет уловить гораздо больше хромосомных изменений, так как длина критического участка хромосомы, разрывы в котором влияют на изменения проявления признака, в этом случае гораздо больше. При такой методике улавливается около 10% от общего числа возможных хромосомных мутаций. Люис пишет, что использование эффекта положения гена биторакса, не умаляя принципиальной стороны эффекта положения гена ci+, позволяет улавливать больше хромосомных мутаций. Работа с битораксом, по словам Люиса, в количественном отношении «имеет в среднем десятикратное преимущество по сравнению с использованием «эффекта Дубинина». Используя свой метод, Люис приводит данные по определению эффективности облучения нейтронами и гамма-лучами на разных расстояниях от эпицентра при экспериментальных взрывах атомной бомбы.

Большой интерес представляет обнаружение псевдоаллелей у аспергиллов. Понтекорво высказал мысль, что между генами, действие которых может быть истолковано как влияние на серию миллимикромолярных биохимических реакций, должна быть пространственная близость, т. е. генетически очень близкое сцепление. Исследования Роппера, а затем Понтекорво обнаружили, что такие сходные по своему действию мутации сцеплены в хромосоме и расстояния между ними характерны для сцепления псевдоаллелей. Например, три разные неаллельные мутации, приводящие к недостаточности биотина, оказались удаленными одна от другой на расстояние 0,2 и 0,08% единиц перекреста. Роппер указывает, что положительный результат, полученный при поисках сцепления сходных мутантов, предпринятых по гипотезе псевдоаллелизма, не может быть случайным.

Изучение явлений псевдоаллелизма у бактерий Escherichia coli и Salmonella typhimurium дали существенные результаты (Демерец). Циндер и Ледерберг установили, что, используя явление трансдукции у салмонеллы, можно установить аллелизм мутаций без скрещивания. По их данным, фаг, развившийся в бактериях дикого типа, в случае его переноса в мутантные бактерии, способен вызвать у них изменения к дикому типу. Такие изменения захватывают малое число клеток: около 10-5 — 10-3 мутантных бактерий. При воспитании фага на мутантных бактериях в заражаемых таким фагом бактериях никаких изменений не наступает, если эти бактерии несут тот же мутантный аллель. Обширные исследования этого явления направленной переделки генотипа бактериальной клетки через фаг заставляют признать, что наиболее возможный механизм состоит в следующем: фаг, разрушающий бактериальную клетку, захватывает участок хромосомы бактерии, а затем при заражении другой бактерии передает ей этот участок. Поскольку фаг переносит признаки от одних бактериальных клеток другим, явление это получило название трансдукции. Встает вопрос: каким образом переносимый фагом участок вставляется точно в определенное место хромосомы бактерий? Механизм этого явления можно представить таким образом, что благодаря притяжению гомологических участков хромосом внесенный фагом участок приближается к своему гомологу, находящемуся в целой хромосоме бактерии. Затем при делении бактерии, когда осуществляется редупликация хромосом, в известном проценте случаев редуплицируется хромосома, включающая в себя участок, внесенный фагом.

Демерец сообщает, что методом трансдукции у салмонелл были изучены взаимоотношения внутри групп определенных ауксотрофных мутаций. Было установлено, что сходные ауксотрофные мутации разделяются трансдукцией на хорошо разграниченные группы. Проверка этих групп биохимическими методами показала, что они совпадают с группами блокировки определенных звеньев в цепи синтеза веществ, требуемых ауксотрофами.

Например, трансдукцией было изучено 40 мутаций недостаточности цистеина. Они распались на четыре группы (А, В, С, D). Трансдукция между группами приводила к появлению нормальных бактериальных клеток. Таким образом, каждая из групп по отношению к другим вела себя как дикий тип. Следовательно, наличие четырех групп связано с мутациями четырех неаллельных локусов. Однако взаимоотношение аллелей внутри группы не характеризуется простым отсутствием трансдукции. В некоторых случаях имеется полное отсутствие трансдукции, т. е. полный аллелизм. В подавляющем же большинстве случаев наблюдается некоторое количество трансдукции, характерное для каждой линии, и при этом число трансдукции резко уступает числу при трансдукции бактерий дикого типа.

Та же картина распада на группы и наличия внутри группы частичного аллелизма показана и на других ауксотрофных мутациях Salmonella typhimurium. Эксперименты трансдукции среди ауксотрофных мутаций, нуждающихся в триптофане, показали, что мутации эти распадаются на четыре такие группы, нуждающиеся в гистидине — на семь групп и т. д.

Результаты этих исследований говорят в пользу того, что внутри групп все мутации представляют собой псевдоаллели. Это и служит причиной малого числа трансдукции между ними, подобно малому числу перекрестов, характеризующему псевдоаллели в силу близости их расположения в хромосоме.

Все эти данные привели Демереца к представлению, что генный локус представляет собой сложный участок хромосомы, так что мутации, идущие в разных районах этого участка, дают разные аллели, которые могут отделяться перекрестом.

Трактовка этого вопроса Демерецем показывает, что в настоящее время имеется два объяснения явлений псевдоаллелизма. С одной стороны, Люис, Грин и другие считают, что физиологически сходный отрезок хромосомы занят группой однозначных дупликаций, дивергирующих по своим свойствам. Рассмотрение мутаций и функций каждой из этих дупликаций в отдельности ведет к утверждению, что отдельный псевдоаллель представляет собой элементарный ген — элементарную единицу в процессах перекреста, мутаций и функций. Эти авторы полагают, что целостность действия группы псевдоаллелей не умаляет значения отдельного аллеля как элементарной единицы. С другой стороны, Понтекорво выдвигает функциональный принцип в истолковании псевдоаллелей, считая, что разные псевдоаллели представляют собой разные стороны единой большой функционально сложной единицы — гена. Перекрест проходит по гену и разделяет его на участки с разными функциями.

Однако по существу эти разные концепции псевдоаллелизма не столь уж далеки друг от друга. В обоих случаях неизбежно признание, что функция определенного отрезка хромосомы является следствием интеграции его частей. Главные принципиальные выводы из данных по псевдоаллелизму близки к тем основным выводам, которые в свое время были сделаны при изучении явления ступенчатого аллелизма. Выше было показано, что целостность, сложность гена scute achaete была признана следствием интеграции его частей. Пространственное взаимоотношение центров определяет характер мутаций. Наличие разных ступенчатых аллелей было признано следствием мутаций, происходящих в разных районах большого сложного гена. Перекрест между achaete и scute показал делимость отрезка хромосомы со сходными элементами.

Из всего сказанного очевидно, что факты ступенчатого аллелизма и обнаружение псевдоаллелей открыли существование явлений, не укладывающихся в старую теорию гена. С одной стороны, идея о неделимости, корпускулярности генов оказалась необоснованной. Локусы хромосомы оказались сложными образованиями, и вместе с тем были обнаружены определенные связи между соседними генами в явлениях эффекта положения и при мутировании. В генетическом отношении хромосома предстала как единство континума и дисконтинума, т. е. прерывности и непрерывности. Вместе с тем факты ступенчатого аллелизма и псевдоаллелизма установили, что в хромосомах существуют группировки генов со сходным физиологическим действием, которые в условиях определенных генетических изомеров проявляют отношения псевдоаллелизма. Это явление оказалось очень широко распространенным. Как уже указано выше, кроме дрозофилы, оно известно для хлопчатника, кукурузы, бактерий, грибов, млекопитающих и других организмов.

Старая теория гена утверждала, что корпускулярность, элементарность каждого гена доказывает, что гены якобы являются единицами перекреста, мутации и физиологической функции.

Явления эффекта положения показали, что первичные функции генов могут зависеть от положения генов в хромосоме, а в системах псевдоаллелей вскрыта пространственная организация, обеспечивающая координированное участие аллелей в процессах биосинтеза. Данные ступенчатого аллелизма показали, что ген не является единицей в процессе мутирования, так как было установлено, что ген имеет несколько активных центров, которые в некоторых случаях могут мутировать независимо друг от друга. Кроме описанных выше мутаций scute achaete, примером мутирования такого рода может послужить изменчивость в серии аллелей локуса R у кукурузы. Ген R связан с образованием антоциана в эндосперме зерен и в тканях растений. По действию эти ступенчатые аллели могут быть классифицированы на 4 группы. Аллель Rr определяет наличие пурпурной окраски семян и растения, Rg — пурпурных семян, rr пурпурных растений и rg — отсутствие пурпурной окраски как в семенах, так и в растениях. Обширные опыты Стадлера установили наличие в гене R двух элементарных центров, обладающих самостоятельным действием и мутированием. Поскольку, как правило, мутируют отдельные центры rr и rg, цепь превращений аллелей имеет такой вид:

Тезис о том, что ген является единицей перекреста, также не имеет достаточно убедительных данных. Перекрест между псевдоаллелями вскрыл в этом отношении новые факты. В их свете доказана возможность перекреста между центрами в ступенчатых аллелях scute achaete у дрозофилы и в аллелях гена R у кукурузы.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.