Нанотехнології в медицині: сучасний стан та перспективи

ЖИТИ ДОВШЕ? СКІЛЬКИ ПОБАЖАЄТЕ!

Цією публікацією ми розпочинаємо серію матеріалів, в яких пропонуємо суспільству звернути увагу на проблеми, пов’язані зі здоров’ям людини, продовжуваністю її життя, з демографічною ситуацією та запропонувати аналіз можливостей застосування досягнень нанотехнологій для їх вирішення.

ЧОМУ САМЕ ПРО ЗВИЧКИ МОВА?

Відомо, що генетичний потенціал тривалості людського життя перевищує 150 років. Проте мало хто в світі досягає такого поважного віку, а в Украіні за останні 60 років продовжуваність життя зупинилась на 62 роках для чоловіків та 74 – для жінок, що на 15 років менше середньо європейського рівня. А причиною цього є не тільки давні та новітні хвороби, про які поговоримо згодом, але й так звані шкідливі звички самої людини. Ви вважаєте, що це не так? Тоді просимо до фактів.

Загальна кількість смертей в СРСР 1965 - 2000 рр.

1 –початок антиалкогольної компанії; 2 – початок ринкових реформ; а – лінія регрессії для 1965-1984 рр.; б – для 1986-1991 рр.

Майже ідеальні експериментальні умови для дослідження впливу вживання алкоголю на смертність населення склалися в СРСР в результаті антиалкогольної кампанії 1986 року. Помітне зниження смертності почалося вже через 2-3 місяці після початку кампанії, а очевидне – через півтора року: на 203,5 тисячі, або на 12,3% в 1986 р. від загальної кількості смертей в 1984 році (див. графік).

Смертність від захворювань системи кровообігу, яка занизилася протягом антиалкогольної кампанії

Діагнози	Доля в загальній смертності від хвороб кровообігу (1984), в %		Зниження під час антиалкогольної кампанії, в %
	Чоловіки	Жінки	Чоловіки	Жінки
Кардіосклероз атеросклеротичний без гіпертонічної хвороби	36,2	37,3	19,4	21,6
Судинні ураження мозку без гіпертонічної хвороби	24,9	27,3	7,7	7,0
Всі інші	38,9	35,4	6,6	0,0
	100,0	100,0

Як бачимо, смертність від захворювань системи кровообігу протягом антиалкогольної кампанії суттєво занизилася. Але, якщо у вас з’явилася думка, що зараз я запропоную ввесті в Україні сухий закон, це не так. Також як не пропоную ввесті тотальну заборону в країні тютюнопаління, яке значно підсилює негативні наслідки вживання алкоголю. Я пропоную допомогти людині подолати ці залежності медикам.

Але лавина найсучасніших лікарських препаратів не в змозі побороти не лише такі залежності – навіть жодне хронічне захворювання. Вочевидь, для задоволення потреб в якісній медицині необхідні кардинально нові підходи. Серед них сьогодні чільне місце займають технології й процеси, використовувані в медицині, що базуються на досягненнях в «світі малих форм» – нанотехнології.

КОЛИ ФАНТАСТИКА СТАЄ РЕАЛЬНІСТЮ

Ще у 1959 р. в своїй знаменитій лекції «Там знизу – багато місця» [1] знаменитий американський фізик-теоретик Річард Фейнман говорив про світ незвичайно малих розмірів і тому невидимий звичайним оком. Сьогодні ми ще далекі від описаного Фейнманом мікроробота, який здатний через кровоносну систему проникнути до серця та виконати там операцію на клапані. Але вчені вже навчилися переміщати окремі атоми і здійснювати «молекулярну хірургію» – змінювати структуру клітини на молекулярному рівні. З’явилася ціла галузь науки, що ввібрала в себе найновіші досягнення фізики, хімії і біології – нанотехнологія.

У широкий науковий вжиток цій термін був введений Ериком Дрекслером, американским вченим та популяризатором науки, в його книзі «Машини творення: прийдешня ера нанотехнології» (1986). Дрекслер передбачив, що развиток нанотехнологій зможе суттєво впливати на тривалість життя людства, його якість. Наприклад, все – від нанопосуду до нанокилимів – буде самоочищуючими, бо для цих наномашин бруд буде їжею. Інші системи зможуть навіть створювати свіжу їжу: справжнє м’ясо, зерно та овочі – прямо вдома.

Перспективи нанотехнології захопили уми вчених. Фармакологи та лікарі побачили в ній можливий якісний прорив у лікуванні хвороб, бо ця технологія дозволяє працювати з речовиною в нанометрових масштабах. Якраз ці розміри характерні для основних біологічних структур – клітин і молекул.

ОСНОВНІ НАПРЯМИ НАНОТЕХНОЛОГІЇ

У зв’язку з великою соціальною значущістю найбільш швидкими темпами розвиваються і впроваджуються нанотехнології для діагностики, моніторингу та лікування захворювань.

Вирізняють п’ять основних напрямів застосування нанотехнологій в медицині. 1. Доставляння лікарських речовин. Нещодавно це була лише мрія, а зараз адресно доставляюти лікарські речовини в клітини-мішені джерела розвитку патологічного процесу можна за допомогою наночастинок, які стають своєрідними «кур’єрами» або «контейнерами». В якості останніх можуть бути використани наночіпи – фосфоліпідні частинки, ліпосоми і фулерені [9] (див. мал.1).

Мал.1 Наночастинка, як контейнер для переносу генетичного матеріалу

Вирізняють два напрями адресної доставки ліків: пасивний направлений транспорт (полегшене подолання природних бар’єрів) та специфічна доставка (впізнавання патологічної тканини) [10].

Наприклад, речовина куркумін має потужну протиракову дію, але його практично не могли використовувати через погану розчинність у воді. Використання контейнера з наночастинок дозволило дослідникам із Індії обійти це обмеження.

Як показали дослідження американських учених, для доставці спеціалізованих засобів можливе використання бактерій.

А групою українських дослідників в складі З. Ульберг, Т. Грузіна, О. Карпов доведена можливість трансмембранного транспортування нанорозмірних комплексів і частинок у клітинах бактерій, здатних до вибіркового акумулювання колоїдних частинок золота, а також визначили молекулярні структури і механізми, відповідні за цей процес [11–12]. У досліджуваних клітинах ідентифіковано Mg-АТФ-азну активність, що складається з двох компонент: азидчутливої (63%) та азид-резистентної (37%). При цьому для виготовлення таких частинок-носіїв можна використовувати різні матеріали [13].

Є і зовсім екзотичні розробки. Проект, над яким працюють вже кілька років дослідники в Університеті штату Юта США являє собою микросубмарину з двигуном, що використовує роботу бактерій, таких як как Salmonella typhimurium.

2. Нові методи і засоби лікування на манометровому рівні. Наприклад, прицільна протипухлинна терапія для щоденного клінічного використання має включати такі елементи: – можливість молекулярного відображення найменших проявів наночастинок на клітинному рівні; – ефективний механізм молекулярного прицілювання після ідентифікації певних клітинних маркерів; – технологію знищення клітин, ідентифікованих як злоякісні; – технологію моніторингу одержаного ефекту.

Сучасний стан розвитку нанотехнологій вже дозволяє практично конструювати працездатні медичні нанороботи (мал.2), здатні усувати дефекти в організмі хворої людини шляхом керованих нанохірургічних втручань, зокрема, прилади для контролю рівня глюкози у крові та для виробництва інсуліну. Методиками молекулярного моделювання продемонстровано можливість створення на порядок більш складних систем: штучних еритроцитів і т.і.

Рис. 2. Наноробот в кровоносній системі

3. Діагностика in vivo. Впровадження нанотехнологічних підходів у практику медичної діагностики дозволяє здійснювати раню діагностику захворювань, виявляти онкологічні, ендокринні, серцево-судинні захворювання, вірусні та бактеріальні інфекції та покращити продуктивність діагностикі, основаної на передачі візуальної інформації про молекулярні структури – молекулярної фізіографії [14-16]. Контрастна речовина для неї складається з наночасток, з якими з’єднані компоненти, що візіалізуються, та певні антитіла, або які-небудь інші молекули, що здатні відшукати ціль. Коли контрастна речовина вводиться в кровоток, компоненти, що візіалізуються, попадають в хворі тканини. Після чого лишається «зчитати» візіалізовану інформацію (мал.3).

Мал. 3. Наночастинки дозволяють виявляти метастази в лімфовузлах

Над цією концепцією працює компанія Kereos (СтЛуис), яка в співробітництві зі світовими концернами Philips и Bristol-Myers Squibb розробляє контрастні речовини на основі наноемульсії перфтокарбона. Це майбутне, але вже зараз в медичної практиці використовуються прості контрастні речовини торгівельної марки Resovist® компанія Schering, які складаються з наночасточок окису заліза.

4. Діагностика in vitro розвивається в двох напрямках: – використання наночасток як маркерів біологічних молекул; – застосування іноваційних нанотехнологічних способів вимірювання. Фірма Nanosphere із Іллинойса розробила нові діагностичні тести для виявлення онкологічних захворювань, хвороби Альцгеймера та муковісцідоза. При цьому заявлено, що останній буде коштувати в 10 разів дешевше теперішніх.

А сенсорні системи Cantilever и SPR вже зараз широко використовуються в медицині. Перша суттєво спрощує діагностику. Друга дозволяє вимірювати взаємодію між протеїнами або між протеїнами і ДНК в режимі реального часу.

Варто згадати ще діагностичну систему Quicklab, розроблену Інститутом кремниевих технологій (ФРН) та реалізовану концерном Siemens Corp. Technology, для експресдіагностики інфекційних захворювань, зараження крові, запалення легень, інших хвороб, де молекули ДНК та протеїни визначаються біохімічним методом.

5. Медична імплантація отримала в останне десятиліття імпульс для розвитку в зв’язку з необхідністю в способах і засобах відновлення чи заміщення органів та тканин.

Ціла низка фірм вже давно працюють з нанокристалічними матеріалами і покриттям поверхні імплантатів гидроксилопатитом для лікування кісткових дефектів. Завдяки нанокристалічній структурі поверхні імпланта процес остеогенеза практично включає штучний матеріал в природну кістку.

Іншим методом є нанокристалічне алмазне покриття, яке також обіцяє значно подовжити функціонування і стабільність імплантатів.

Нещодавно почав розвиватися ще один напрямок створення біоматеріалів – нановолокон, котрі вчені хочуть використати при тканинному інженірінзі, – створенні штучних тканин (в перспективі, – органів) на основі клітинних технологій. Визначають також наступні пріоритети розвитку нанотехнології: – супершвидкісні молекулярні детектори для визначення первинної структури генома на основі неорганічних нанопор; – геноми, які саморозмножуються, що застосовуються з метою виробництва ліків, проведення фармакологічного скрінінгу і моделювання патологічних процесів; – біосумістні наноматеріали широкого спектру застосування для створення принципово нових типів перев’язочних матеріалів та штучних органів. Вже розроблена методика відтворення хрящової тканини, яка має механічні та біохімічні властивості, близькі до природнього хряща, для відновлення механічних властивостей зубної емалі; ведуться розробки у створенні технології обробці поверхонь методом нанонапилення з метою надання їм антибактеріальних властивостей.

Таким чином, нанотехнології є мультидисциплінарним напрямом фундаментальної та прикладної науки з широким спектром різноманітних засобів та інструментів на стику інженерії, біології, фізики та хімії. Їх розвиток випереджає найсміливіші прогнози теоретиків відносно як і найяскравішого так і найбільш похмурого майбутнього всього людства в результаті широкого використання нанотехнологій в нашому житті.

УКРАЇНА ТА НАНОТЕХНОЛОГІЇ В Україні, для виконання передових досліджень і розробок в області наномедицини та нанобіотехнологій, спрямованих на створення інноваційних лікарських препаратів і систем діагностики з приватної ініціативи за підтримки президента Національної академії наук України академіка Б.Є. Патона створено ТОВ «НаноМедТех».

Наведені малюнки 4-7 – це зображення, отримані за допомогою електронного скануючого мікроскопу Mira 3 Tescan ТОВ «НаноМедТех».

За період своєї роботи вітчизняні вчені наблизились до створення функціональних наночастинок, що дасть змогу використовувати їх для діагностики захворювань, адресної доставки та контрольованого вивільнення лікарських препаратів, терапії.

Наприклад, наночастинки срібла (мал. 4.) проявляють антивірусні, антибактеріальні та ранозагоювальні ефекти, золота – протизапальні, а наночастинки CeO2 мають яскраво виражені антиоксидантні, корегуючи та регенеративні властивості.

На основі наночастинок срібла вже розробляють нанодезінфектанти. Вони мають широкий спектр біоцидної і антивірусної активності та більш високу токсичність стосовно до мікробів, вірусів і грибків, у тому числі до штамів, які вже не сприйнятливі до традиційних антибіотиків, дезінфектантів та антисептиків. Наприклад, папір з нанесеним на нього наночастинками срібла (мал. 5) володіє згубними властивостями для таких бактерій, як кишкова паличка.

Завдяки новітнім технологіям отримання та нанесення наночастинок можна досягти рівномірного розподілу наночастинок по поверхні паперу та уникнути утворення агломератів (мал. 6), що призводить до збільшення ефективної поверхні срібла при зовсім невеликої витраті металу. Також, нанесення наночастинок срібла на сульфаніламід (стрептоцид) (мал. 7), який сам по собі володіє широким спектром протимікробної дії, модифікує існуючий лікарський засіб та призводить до таких позитивних ефектів як пролонгація та локалізація дії.

Мал. 4 Наночастиники срібла синтезовані хімічним методом

Мал. 5 Волокна паперу з нанесеними на них наночастинками срібла (при такому збільшенні наночастинки ледь помітні у вигляді білих цяток на волокнах паперу).

Мал. 6 Наночастинки срібла на поверхні волокон паперу.

 Мал. 7. Сульфаніламід, поверхня якого вкрита наночастинками срібла.

* * * Ми повинни признати, що успіхи та досягнення традиційної медицини не супроводжуються радикальним покращенням здоров’я населення. Всі тенденції ведуть до того, що саме наномедицина може стати тією галуззю, яка буде суттєвою віхою у розвитку людства. Саме тому уряди розвинених країн світу виділяють значні кошти на фінансування нових розробок лікарських препаратівтна базі нанотехн.

Узагальнюючи інформацію щодо перспектив розвитку нанотехнлогій в медицині з огляду на результати прослуханих лекцій в Стендфордському університеті півроку тому, автор цієї статті прийшов до висновку: зупинення негативного впливу шкідливих звичок на продовжуваність життя людини можливе тільки за умови поєднання досягнень традиційноі медицини та нанотехнологій.

МЕНДЕЛЕВСКАЯ ГЕНЕТИКА

Введение

Краткое содержание глав

Опыты Менделя послужили основой для развития современной генетики-науки, которая изучает, как наследуются гены, определяющие наследственные признаки. Менделю удалось выявить закономерности наследования благодаря тому, что он чрезвычайно удачно выбрал свой экспериментальный объект (горох), провел множество скрещиваний с участием сотен растений и, наконец, не просто зафиксировал полученные результаты, но и подверг их математической обработке. Пользуясь современной терминологией, выводы Менделя можно сформулировать следующим образом:

1. Наследственные признаки определяются дискретными единицами - генами, - которые передаются от родителей потомкам в процессе размножения.
2. Каждый наследственный признак любого растения определяется парой генов.
3. Гены, определяющие тот или иной признак, могут находиться в двух разных формах; у гетерозиготного индивидуума одна из них (доминантная) может маскировать присутствие другой (рецессивной) - закон доминирования.
4. Во время мейоза два члена каждой пары генов отделяются друг от друга и расходятся по разным клеткам (закон расщепления).
5. При оплодотворении каждый потомок получает пару генов для каждого признака - по одному гену (через гамету) от каждой из родительских особей.
6. Гены каждой из родительских особей сохраняются у потомков обособленно и могут вновь проявиться в более поздних поколениях, даже если в промежуточных поколениях они были у некоторых индивидуумов замаскированы вследствие явления доминирования.
7. Во время мейоза гены одной пары передаются потомкам независимо от генов других пар, если только они расположены в разных хромосомах (закон независимого распределения).

Поведение наследственных признаков в экспериментах по скрещиванию согласуется с поведением хромосом во время мейоза. Эта согласованность служит доказательством того, что гены находятся в хромосомах. Гены, располагающиеся в одной и той же хромосоме, сцеплены и наследуются как единое целое за исключением тех случаев, когда они разъединяются в результате кроссинговера, происшедшего во время мейоза.

Проработав эти главы, вы должны уметь:

1. Пользоваться следующими терминами: родительское поколение (P₁), первое гибридное поколение (F₁), второе гибридное поколение (F₂), доминантный, рецессивный, гомозиготный, гетерозиготный, расщепление, независимое распределение, неполное доминирование.
2. Дать определение генотипа и фенотипа, сравнив эти понятия и разъяснив их связь с понятиями «доминантный» и «рецессивный».
3. С помощью решетки Пеннета проиллюстрировать скрещивания по одному или по двум признакам и указать, каких численных отношений генотипов и фенотипов следует ожидать в потомстве от этих скрещиваний.
4. Сопоставить типы наследования генетических признаков при скрещиваниях с поведением хромосом во время мейоза и оплодотворения.
5. Изложить своими словами правила наследования, расщепления и независимого распределения признаков, открытие которых было главным вкладом Менделя в генетику.

С самых давних пор люди отдавали себе отчет, что растения и животные наследуют какие-то признаки от своих родителей. Несомненно, еще в доисторические времена им бросалось в глаза сходство родителей и детей, и уже тогда они старались получить телят от коровы, которая давала больше молока, а для посева отбирали семена от самых урожайных растений. Однако научную основу селекция животных и растений обрела только в начале нашего века.

В девятисотые годы биологи вновь открыли для себя труды Грегора Менделя (Gregor Mendel). За тридцать с лишним лет до этого Мендель провел ряд экспериментов по скрещиванию и разработал теоретические представления, позволившие объяснить передачу наследственных признаков из поколения в поколение. К сожалению, авторитетные ученые того времени, с головой погруженные в собственные, очень сложные теории, отвергли теорию Менделя как не заслуживающую внимания в силу крайней своей простоты. Однако в девятисотых годах биологи уже склонялись к мысли, что хромосомы являются носителями генетического материала, и им нетрудно было увидеть, что результаты опытов Менделя как нельзя лучше согласуются с этим предположением. Теория Менделя легла в основу новой науки генетики, которая начала развиваться быстрыми темпами.

Пожалуй, главной заслугой Менделя было установление того факта, что признаки передаются по наследству как некие дискретные единицы. Это далеко не очевидно. Для многих наследственных признаков, например для длины тела, умственных способностей или цвета кожи, характерен широкий диапазон непрерывной изменчивости, и поэтому во времена Менделя большинство биологов придерживались теории слитной наследственности. (Эту теорию было очень трудно согласовать с теорией эволюции путем естественного отбора, которая требовала, чтобы наследственные вариации сохранялись из поколения в поколение, а не сливались в нечто среднее. Дарвина наряду с другими эволюционистами чрезвычайно смущала теория слитной наследственности, однако ему так и не довелось узнать, что труды Менделя могли бы устранить одно из главных возражений против теории эволюции путем естественного отбора.)

Мендель не видел единиц наследственности, он только постулировал их существование, чтобы объяснить закономерности, наблюдаемые при передаче генетических признаков от родителей потомкам. Теперь мы знаем, что эти единицы наследственности-называемые ныне генами - представляют собой отдельные участки молекул ДНК. Многие гены кодируют определенные белки, и именно таким путем микроскопический ген проявляет себя в виде какого-нибудь хорошо заметного признака организма, вроде длины шерсти, ее окраски, текстуры и т.п. (рис. 1). Гены как части молекул ДНК реплицируются и передаются дочерним клеткам; именно поэтому потомки и наследуют те или иные признаки своих родителей.

Рис. 1. Каждая шерстинка состоит из белковых нитей. Окраску шерсти определяют пигменты, синтез которых осуществляется при участии одних ферментов, а накопление в волосе три участии других. Белки шерсти и ферментов, участвующие в синтезе и отложении пигментов, закодированы в различных генах. У этой кошки длинная шерсть. Белые пятна, т. е. те места, где пигмент в шерсти отсутствует, зависят от наличия гена piebald (пестрый).

При половом размножении новый индивидуум получает половину своих генов от матери (через яйцеклетку) и половину от отца (через сперматозоид). Наследуемые признаки часто кажутся слитными, потому что все эти гены в новой комбинации взаимодействуют друг с другом, так что потомки отличаются от своих родителей и по внешнему виду, и по биохимическим особенностям, и по поведению.

Впрочем, мы несколько забежали вперед; обо всем этом нам предстоит узнать несколько позже. В этой же главе мы будем рассматривать генетические признаки именно как признаки, наблюдаемые у отдельных индивидуумов. Мы увидим, как Мендель изучал характер наследования, наблюдая в своих экспериментах по скрещиванию передачу этих признаков от одного поколения к другому.

ГЛАВА 1. Генетические эксперименты Менделя

Грегор Мендель был сначала монахом, а позже настоятелем монастыря в Брюнне (ныне город Брно в Чехословакии). Свои ставшие теперь знаменитыми опыты он проводил с обычным горохом, который выращивал в монастырском саду. В то время многие видные ботаники пытались понять, как генетическая информация передается у растений от родителей к потомкам. Однако все их попытки получить ответ на этот вопрос оказывались на редкость бесплодными, тогда как опыты Менделя позволили ему сформулировать простую, но ясную теорию, выдержавшую испытание временем. Как мог Мендель, работая в одиночку, увидеть то, чего не сумели разглядеть его современники, тесно связанные со всем научным миром? Удачу Менделя определило стечение ряда обстоятельств.

Во-первых, Мендель изучал в свое время математику и теорию вероятности. Поэтому он понимал, что при оценке результатов скрещиваний нужно оперировать большими числами, чтобы свести к минимуму эффект от «ошибки выборки», возможной при рассмотрении ограниченного числа случаев. Кроме того, он начинал с изучения отдельных наследуемых признаков, в каждом эксперименте по одному, прослеживая судьбу таких признаков во многих поколениях. Это также помогло ему выявить простые, но важные законы передачи наследственных признаков.

Во-вторых, Менделю повезло с выбором экспериментального объекта. Другие исследователи работали с ястребинкой, а- этому растению свойственны отклонения от нормального процесса полового воспроизведения, о чем ботаники XIX в. не знали. У ястребинки семена завязываются иногда без опыления, и в таких случаях отцовская родительская форма отсутствует. Мудрено, конечно, определить характер наследования признаков, если вы полагаете, что родительские формы вам известны, а в действительности все обстоит иначе!

Мендель избежал этой западни. Он потратил несколько лет, чтобы выбрать организм, с которым ему предстояло работать, и решить, какие признаки этого организма следует изучать. В конце концов он'выбрал горох. Существовало много сортов гороха, и все они размножались в чистоте, т.е. например, высокорослые растения всегда давали высокорослое потомство, а карликовые - только карликовое. Скрещивая растения двух сортов, обладавших такими контрастирующими признаками, Мендель получал возможность проследить, как эти признаки наследуются.

Было у гороха и еще одно качество, делавшее его идеальным объектом для тех целей, которые ставил перед собой Мендель. Это качество заключалось в особом строении его цветков, благодаря которому скрещивание легко поддавалось контролю. У большинства обычных цветков мужские (тычинки] и женские (пестики) репродуктивные органы ничем не прикрыты, так что на рыльце может попасть пыльца, принесенная ветром с других растений или занесенная посещающими цветок насекомыми. У гороха же и у родственных ему растений лепестки расположены так, что репродуктивные органы полностью ими закрыты. Пыльца с других цветков не может проникнуть внутрь и в норме каждый цветок сам себя опыляет (рис. 2).

Рис. 2. Цветок гороха - объект, выбранный Менделем для генетических экспериментов. А. Внешний вид цветка. Модифицированные лепестки: парус, лодочка, крыло. Б. Вид сбоку. Цветок показан в разрезе, чтобы были видны лепестки и репродуктивные органы. Репродуктивные органы (тычинки и пестик) прикрыты лодочкой, так что для цветка бобовых характерно самоопыление.

Мендель мог либо допустить самоопыление, либо произвести перекрестное опыление, взяв пыльцу от цветков одного сорта гороха и поместив ее на рыльца цветков другого сорта. Для того чтобы произвести такое перекрестное опыление с участием двух сортов, Мендель раскрывал цветок, предназначенный стать донором пыльцы, и извлекал из него тычинку. Затем он раскрывал цветки другой родительской формы и высыпал на их рыльца пыльцу; собственные тычинки этих цветков он удалял еще до созревания пыльцы, чтобы быть уверенным, что ни один цветок не был опылен собственной пыльцой. Для получения многочисленного потомства от скрещиваний Мендель опылял таким способом многие десятки цветков. Это была весьма кропотливая работа, но зато Мендель совершенно точно знал происхождение каждой собранной им горошины.

Избрав в качестве экспериментального объекта горох, Мендель потратил еще два года на предварительные опыты, чтобы найти чистые сорта с различными наследственными признаками. В конце концов он выбрал для длительного изучения семь признаков, каждый из которых встречается у разных сортов гороха в двух четко различающихся формах (рис. 3).

Рис. 3. Мендель изучал семь наследственных признаков гороха, каждый из которых проявлялся в двух разных формах. Доминантная форма в каждой такой паре (см. главу 2) показана на этом рисунке слева.

Мендель начал со скрещиваний между сортами, различающимися по одному признаку. Рассмотрим один из таких его экспериментов, в котором изучалось наследование окраски цветков.

В этом эксперименте Мендель скрещивал два чистых сорта гороха - с красными цветками и с белыми цветками. При таком скрещивании, т.е. при скрещивании двух генетически различных сортов, получается смешанное потомство, так называемые гибриды. У гибридов от скрещивания между сортом с красными и сортом с белыми цветками все цветки оказались красными (рис. 4). Это было несколько неожиданным. Куда девалась белая окраска, которую растения с белыми цветками должны были передать своему потомству?

Рис. 4. От скрещивания чистого сорта с красными цветками и чистого сорта с белыми цветками было получено потомство с одними только красными цветками. Среди потомков, полученных при самоопылении этих растений, приблизительно у трех четвертей цветки были красные и у одной четверти-белые. (Знак х в верхней части рисунка-символ скрещивания.)

Мендель продолжил эксперимент, получив от самоопыления гибридов более 900 семян. Когда он высеял эти семена, из них в большинстве случаев выросли растения с красными цветками, но примерно у одной четверти растений цветки оказались белыми. Стало ясно, что белая окраска не утрачена, хотя она и не проявилась в первом поколении гибридов.

Анализируя эти результаты, Мендель понял, что их можно объяснить, допустив, что всякий наследуемый признак определяется парой каких-то частиц, которые мы теперь называем генами. У чистого сорта с красными цветками, как полагал Мендель, каждое растение несло два гена, определяющих красную окраску цветков. Каждая репродуктивная клетка содержала, очевидно, только один из этих двух генов. Когда при оплодотворении две репродуктивные клетки слились, находившиеся в них гены красной окраски также объединились, так что у потомков снова оказалось по два таких гена-один из яйцеклетки, а другой из пыльцевого зерна. Точно так же все растения сорта с белыми цветками несли и могли передать своим потомкам только гены белой окраски цветков. При скрещивании этих двух сортов каждое растение сорта с белыми цветками передало гибридному потомству один ген белой окраски, а каждое растение с красными цветками - один ген красной окраски. Каждое растение гибридного поколения несло в себе, следовательно, один ген красной и один ген белой окраски цветков, хотя все цветки в гибридном поколении были красными.

Когда затем наступило время размножения этих гибридных растений, половина репродуктивных клеток получила ген красной окраски цветков и половина-ген белой окраски. При оплодотворении любая репродуктивная клетка могла соединиться с любой другой, несущей либо ген красной окраски, либо ген белой окраски. Если обе участвующие в оплодотворении репродуктивные клетки несли гены белой окраски цветков, то и у полученного растения цветки были белыми.

Установленная закономерность, согласно которой гены могут объединяться в индивидууме, возникающем в результате оплодотворения, но затем расходятся, так что в репродуктивную клетку поступает для передачи следующему поколению либо один, либо другой ген, получила название менделевского закона расщепления.

ГЛАВА 2. Доминантность и рецессивность

Исчезновение белой окраски цветков в первом гибридном поколении и ее появление в последующих поколениях, а также сходное поведение других изучавшихся признаков позволили Менделю сформулировать правило, получившее название закона доминирования: если контрастирующие гены какого-либо признака присутствуют у гибридных индивидуумов, то один из них может проявиться у данного индивидуума и замаскировать присутствие своего партнера. Ген, который проявляется, или экспрессируется, называют доминантным, а замаскированный ген - рецессивным.

Обнаружить наличие того или иного рецессивного гена можно только в том случае, если данный индивидуум гомозиготен по этому рецессивному гену, т.е. несет два идентичных рецессивных гена; в этом случае рецессивный признак у него проявляется. У индивидуумов, гомозиготных по доминантному гену (несущих два идентичных доминантных гена), и у гетерозиготных индивидуумов (несущих два разных гена, в данном случае - один доминантный и один рецессивный) экспрессируется только доминантный ген, и по внешнему виду различить их невозможно.

Генетики часто пользуются для обозначения генов буквенной символикой: доминантный ген, ответственный за тот или иной признак, они обозначают прописной буквой, а рецессивный - соответствующей строчной; следуя этому правилу, ген красной окраски цветков у гороха в опытах Менделя можно обозначить буквой R, а ген белой окраски - буквой r.

Если у индивидуума экспрессируется какой-нибудь доминантный ген, то именно из-за доминирования трудно сказать, гомозиготен или гетерозиготен этот индивидуум по данному гену. О таком индивидууме говорят, что у него доминантный фенотип, т. е. такой же фенотип, как у особи, гомозиготной по данному доминантному гену. По генотипу же, т. е. по своей подлинной генетической конституции, этот индивидуум может быть как гомозиготным, например RR (две дозы гена красной окраски цветков), так и гетерозиготным, Rr (один ген красной окраски цветков и один ген белой окраски). У индивидуума с рецессивным фенотипом (в нашем примере - белые цветки) должен быть рецессивный генотип rr (два гена белой окраски цветков).

Генотип индивидуума определяется в момент оплодотворения; фенотип же его представляет собой результат взаимодействия всех его генов друг с другом и с различными факторами среды. Например, растение может быть низкорослым потому, что оно несет в себе «гены карликовости», или потому, что оно не получило достаточного количества питательных веществ и не смогло вырасти таким, как это диктовали имеющиеся у него «гены высокого роста».

ГЛАВА 3. Схемы генетических скрещиваний

На рис. 5 представлена схема скрещиваний, которые проводил Мендель с сортами гороха, имевшими красные и белые цветки. В родительском (Р₁) поколении материнская и отцовская формы отличались по своим генотипам: чистый сорт с красными цветками имел генотип RR, а чистый сорт с белыми цветками - генотип rr.

Рис. 5. Генотипы репродуктивных клеток (гамет) и потомства, полученного при скрещивании растения, гомозиготного по гену красной окраски цветков, с растением, гомозиготным по гену белой окраски, и при последующем самоопылении гибридов. Здесь представлено то же скрещивание, что и на рис. 4.

Репродуктивные клетки, служащие для полового воспроизведения, называются гаметами; у растений это спермин, образующиеся при прорастании пыльцевого зерна, и яйцеклетки. Перед образованием гамет два гена из каждой пары генов расходятся и в каждую гамету попадает только один из генов, определяющих окраску цветка, - ген R в гаметы растения с красными цветками и ген r в гаметы растения с белыми цветками. Когда при оплодотворении гаметы сливаются, каждый экземпляр первого гибридного поколения (его обозначают F₁) получает по одному гену R и одному гену r, т.е. оказывается обладателем пары генов, определяющих окраску цветков.

При образовании гамет у растений F₁ гены R и r попадают в разные гаметы. Поскольку любая яйцеклетка с равной вероятностью может получить при этом либо ген R, либо ген r и шансы на ее оплодотворение спермием, содержащим ген R или ген r, тоже равны, при образовании второго гибридного поколения (F₂) возможны четыре различные комбинации гамет:

1. яйцеклетка R и спермий R (RR);
2. яйцеклетка R и спермий r (Rr);
3. яйцеклетка r и спермий R (rR);
4. яйцеклетка r и спермий r (rr).

По завершении оплодотворения комбинации 2 и 3 генетически неразличимы. Поэтому в F₂ возможны три генотипа: RR, Rr и rr. Ожидаемое отношение для них равно 1RR:2Rr:1rr, поскольку есть два пути для образования генотипа Rr и только по одному пути для генотипов RR или rr. Для фенотипов ожидаемое отношение будет иным: на три растения с красными цветками одно растение с белыми цветками, так как красные цветки имеют и растения с генотипом RR, и растения с генотипом Rr. Это отношение, 3:1 (или 3/4:1/4), типично для скрещиваний с участием одной пары генов (моногибридных скрещиваний), в которой один ген является доминантным, а другой - рецессивным.

Линейные схемы, подобные представленной на рис. 5, не очень удобны; вместо них можно воспользоваться гораздо более наглядной решеткой Пеннета, названной так в честь генетика Реджинальда Грундолла Пеннета (Reginald Grundall Punnett). Решетку Пеннета строят следующим образом. Сначала записывают генотипы родителей и определяют, какие генетические комбинации должны присутствовать в их гаметах. Затем чертят клетки, как это показано на рис. 6, и записывают гаметы одного родителя над верхним рядом клеток, а гаметы второго родителя вдоль левого ряда клеток. Чтобы определить возможные генотипы потомства от скрещивания между этими двумя родительскими формами, гаметы вписывают в клетки, как это пояснено в подписи к рисунку. Вписав таким образом все гаметы, мы получим в каждой клетке комбинацию из двух гамет, т.е. картину оплодотворения, в результате которого возникнет соответствующий индивидуум следующего поколения. Эти комбинации дадут нам ожидаемые генотипы потомков, а по генотипам мы сможем определить и их фенотипы, если нам известно, какие гены являются доминантными, а какие - рецессивными.

Рис. 6. Построение решетки Пеннета для скрещивания гетерозиготных растений F1. Запишите родительский генотип (генотипы), определите типы и соотношения гамет, а затем руководствуйтесь следующими указаниями. А. Запишите гаметы одного из родителей над решеткой, а гаметы другого - вдоль левой ее стороны. Безразлично, какие гаметы вы запишите вверху и какие - слева; важно только, чтобы все гаметы каждого из родителей находились по одну сторону решетки. Б. Начните с верхнего ряда гамет и впишите гены каждой гаметы во все клетки под ней. В. Впишите теперь гены гамет левого ряда в клетки, находящиеся справа от каждой гаметы. Каждая комбинация из двух гамет (в кружке) - это возможное оплодотворение, дающее в результате указанный здесь генотип потомка. Чтобы определить долю каждой из комбинаций в потомстве, перемножьте частоты входящих в нее гамет.

ГЛАВА 4. Независимое распределение

Помимо скрещиваний с участием только одной пары генов, Мендель проводил скрещивания, в которых родительские формы несли по две разные пары контрастирующих генов. В одном из таких экспериментов Мендель использовал сорта гороха, отличавшиеся двумя признаками: характером поверхности семян (гладкие или морщинистые) и окраской семян (желтые или зеленые). Он скрещивал растения, гомозиготные по таким признакам, как гладкие и желтые семена, с растениями, гомозиготными по признакам морщинистых и зеленых семян. В F₁ все растения имели гладкие желтые семена, и это показывало, что признак гладкой поверхности семян доминирует над признаком морщинистости, а желтая окраска семян доминирует над зеленой. Путем самоопыления растений F₁ было получено поколение F₂ со следующими фенотипами:

    315 с гладкими желтыми семенами
    101 с морщинистыми желтыми
    108 с гладкими зелеными 32 с морщинистыми зелеными

Чтобы определить отношение этих фенотипов в F₂, следует число потомков в каждой из групп разделить на число потомков в самой малочисленной группе. В F₂ это отношение составило приблизительно 9:3:3:1. Мендель указал, что такое отношение наилучшим образом можно объяснить, исходя из независимого распределения в процессе репродукции тех генов, которые определяют окраску и характер поверхности семян. Каждая пара генов вела себя так, точно она существовала сама по себе, и на нее никак не влияло наследование другой пары генов. Возьмем, например, желтые и зеленые семена. Число желтых семян было равно 315 + 101 = 416, а число зеленых 108 + 32 = 140, т.е. их отношение составило 2,97 :1, что очень близко к отношению 3:1, найденному в моногибридном скрещивании. Аналогичные результаты были получены и для таких признаков, как гладкие и морщинистые семена.

Пусть в нашем примере S означает гладкие семена, s - морщинистые, Y - желтые и y — зеленые. Растения P₁ должны были иметь генотипы SSYY (гладкие; желтые) и ssyy (морщинистые; зеленые) и образовать гаметы соответственно SY и sy. У всех растений F₁ генотип был SsYy.

Однако при самоопылении растений F₁ картина оказывается более сложной. Согласно менделевскому закону независимого распределения, члены одной пары генов распределяются по гаметам независимо от членов другой их пары. У гена S, например, равные шансы попасть в одну и ту же гамету с геном Y или с геном y. Поэтому каждое растение F₁ образует четыре типа гамет - SY, sy, Sy и sY - в равных соотношениях (рис. 7). Заметьте, что каждая гамета должна получить один ген из каждой пары. Чтобы выявить все возможные генетические комбинации в потомстве, эти гаметы надо записать вдоль двух сторон решетки Пеннета. Поскольку любая женская гамета может быть оплодотворена любой мужской, в F₂ общее число возможных генотипов равно девяти, а число возможных фенотипов - четырем (рис. 8).

Рис. 7. Независимое распределение двух гетерозиготных пар генов при образовании гамет. Индивидуумы F1 образуют гаметы четырех разных типов в равных соотношениях. Часть гамет несет те же комбинации генов, какие были получены от гамет Р1 (SY и sy), однако появились и две новые комбинации (Sy и sY). Генотипы и фенотипы F2 показаны на рис. 8.

Рис. 8. Решетка Пеннета для определения тех возможных комбинаций, которые могут образовать при оплодотворении гаметы, показанные на рис. 7. Гаметы, образуемые индивидуумами F1, указаны над решеткой и вдоль левой ее стороны. Буквы внутри клеток - генотипы в F2, а кружки - фенотипы F2. Синими кружками обозначены желтые семена, а черными кружками - зеленые; гладкие кружки - гладкие семена, а волнистые - морщинистые.

В табл. 1 показаны отношения генотипов и фенотипов для этого дигибридного скрещивания (т. е. скрещивания, в котором родительские формы различаются по двум признакам). Отношение фенотипов 9:3:3:1 типично для дигибридных скрещиваний.

Таблица 1. Фенотипы, генотипы и их отношения в потомстве, полученном путем самоопыления растений SsYy

Фенотип	Отношение	Генотип
Гладкие, желтые Гладкие, зеленые Морщинистые, желтые Морщинистые, зеленые	9/16 3/16 3/16 1/16	1/16 SSYY : 2/16 SSYy : 2/16 SsYY : 4/16 SsYy 1/16 SSyy : 2/16 Ssyy 2/16 ssYy : 1/16 ssYY 1/16 ssyy

ГЛАВА 5. Неполное доминирование

Во всех парах генов, которые изучал Мендель, один из генов был доминантным, а другой - рецессивным. В сущности, Мендель и выбрал эти пары именно потому, что изучаемые признаки различались совершенно четко: ни у одного растения не было, например, «красноватых» цветков или «желтовато-зеленых» семян. Теперь мы знаем, что для многих пар генов характерно кодоминирование, или неполное доминирование, при котором фенотип гетерозигот (а не только их генотип) отличается от фенотипа обеих гомозигот. У львиного зева, например, окраска цветков контролируется кодоминантными генами. Гомозиготные растения имеют либо красные, либо белые цветки, а гетерозиготные - розовые. При скрещивании растения с красными цветками и растения с белыми цветками в F₁ у всех растений цветки розовые и все они гетерозиготны по генам красной и белой окраски цветков. Половина их гамет несет ген красной окраски цветков, а вторая половина гамет - ген белой окраски. В F₂ отношение как для фенотипов, так и для генотипов равно 1:2:1, т. е. соответствует отношению генотипов при моногибридном скрещивании (рис. 9). Поскольку у гетерозиготных растений цветки розовые, ожидаемое отношение фенотипов для растений с красными, розовыми и белыми цветками составит 1:2:1.

Рис. 9. У растений львиного зева гены красной и белой окраски цветков кодоминантны: у гетерозиготных экземпляров цветки розовые. Соответственно ген белой окраски обозначен буквой R', а не r, поскольку это не рецессивны

ГЛАВА 6. Мейоз

Мендель объяснил результаты своих опытов по скрещиванию, исходя из допущения, что в соматических клетках растения содержится по два гена, определяющих каждый его признак (например, окраску цветков или характер поверхности семян), а в гаметах - только по одному такому гену. Мы теперь знаем, что гены находятся в хромосомах и что каждая хромосома несет в себе много генов.

У растений гороха, так же как и у прочих высших растений и животных, в соматических клетках каждая хромосома представлена в двух экземплярах. Парные хромосомы называются гомологичными хромосомами, или просто гомологами. Каждая из таких двух гомологичных хромосом несет по одному из двух генов. Гомологичные хромосомы имеют обычно одинаковую длину; их центромеры располагаются одна против другой, а сами хромосомы несут гены, определяющие одни и те же признаки, причем эти гены расположены в хромосомах в одной и той же последовательности (рис. 10). У растений гороха, например, одна хромосома в том участке, который определяет окраску цветка, может нести ген R, а другая (гомолог первой) несет в соответствующем участке либо ген R, либо ген r. Число имеющихся у организма хромосомных пар зависит от вида (табл. 2).

Организм	Число пар хромосом	Общее число хромосом
Горох	7	14
Кукуруза	10	20
Плодовая мушка (Drosophila)	4	8
Кошка	19	38
Собака	39	78
Человек	23	46

	Рис. 10. Две пары гомологичных хромосом. В каждой хромосоме находится много генов (обозначены буквами). Более длинная пара хромосом несет гены А и а; это означает, что индивидуум, обладающий такими хромосомами, гетерозиготен по данному признаку. По следующей паре (рецессивных) генов, b и b, он гомозиготен и т.д.
	Рис. 11. Хромосома состоит из ДНК и белка. Молекула ДНК реплицируется так, как это показано на рис. 11. Две идентичные двойные спирали ДНК остаются соединенными в области центромеры. Эти копии хромосом превращаются в отдельные хромосомы позднее, во время деления ядра (при мейозе, о котором говорится здесь, или при митозе).

Гаметы содержат только по одной из каждой пары гомологичных хромосом и соответственно только один из каждой пары генов. Это подтверждает теорию Менделя. Соматические клетки диплоидны (т.е. содержат по два набора хромосом), а гаметы - гаплоидны (содержат один набор).

Эта закономерность имеет жизненно важное значение для организмов, воспроизводящихся половым путем. Если бы каждая гамета содержала диплоидное число хромосом, то в оплодотворенном яйце и у индивидуума, который из него развивается, число генов было бы вдвое больше, чем у каждого из родителей. Следовательно, число хромосом (и генов) удваивалось бы в каждом новом поколении. У организмов с половым размножением существует особая форма деления ядра, так называемый мейоз, при котором диплоидный набор хромосом, имеющийся в ядре, сокращается до гаплоидного. В результате мейоза в каждую гаплоидную гамету попадет по одной хромосоме из каждой пары хромосом, имеющихся в диплоидной клетке.

Перед началом мейоза каждая хромосома реплицируется (удваивается) (см. главу 3). В течение некоторого времени две ее образовавшиеся копии остаются связанными друг с другом через структуру, называемую центромерой (рис. 11). Следовательно, в каждом ядре, в котором начинается мейоз, содержится эквивалент четырех наборов гомологичных хромосом. Поэтому, для того чтобы образовались ядра гамет, содержащие одинарный (гаплоидный) набор хромосом, необходимы два ядерных деления, при каждом из которых число хромосом уменьшается вдвое. Эти деления ядра так и называются: первое деление мейоза и второе деление мейоза. Проследим за судьбой одной пары гомологичных хромосом в процессе мейоза:

Рис. 12. Главные стадии мейоза. У разных организмов этот процесс варьирует в деталях. В первом делении мейоза гомологичные хромосомы расходятся. Профаза I. Реплицировавшиеся хромосомы спариваются со своими гомологами (конъюгируют). Эта конъюгация хромосом необходима для последующих этапов, в которых члены каждой гомологичной пары расходятся, так что образующиеся ядра получают по одному члену от каждой пары. Метафаза I. Конъюгировавшие гомологи прикрепляются к микротрубочкам по разные стороны от экватора веретена. (Ядерная оболочка исчезает.) Анафаза I. Гомологичные хромосомы расходятся к противоположным полюсам веретена. Телофаза I. Хромосомы собираются в две группы. У некоторых видов вновь появляется ядерная оболочка и цитоплазма делится. У других немедленно, без образования ядерной оболочки, начинается метафаза II. Во втором делении мейоза каждое ядро снова делится и образуются гаплоидные ядра. После деления центромеры из каждой реплицировавшейся хромосомы получается по две отдельные хромосомы. Профаза II. Реплицировавшиеся хромосомы готовятся к следующему делению. Метафаза II. Снова образуются веретена. Реплицировавшиеся хромосомы направляются к экватору и прикрепляются к микротрубочкам. Затем делятся центромеры, так же как в метафазе митоза, и каждая реплицировавшаяся хромосома превращается в две отдельные хромосомы. Анафаза II. Только что отделившиеся друг от друга хромосомы направляются к противоположным полюсам веретена. Телофаза П. Образуется четыре гаплоидных ядра, содержащих по одной хромосоме из каждой пары хромосом исходного ядра, в котором начался процесс мейоза.

При первом делении мейоза каждая хромосома располагается против своего гомолога. Поскольку к этому времени хромосомы уже реплицировались, то в результате образуются группы хромосом, каждая из которых содержит по четыре хромосомных эквивалента (рис. 12). Все еще оставаясь друг против друга, гомологичные хромосомы прикрепляются к средней части веретена, представляющего собой систему микротрубочек. Затем члены каждой пары гомологичных хромосом отходят друг от друга, направляясь к противоположным полюсам веретена. Таким образом, при первом делении мейоза хромосомы разделяются точно на два набора, в каждом из которых содержится по одному члену каждой пары гомологичных хромосом.

При втором делении мейоза ядра, образовавшиеся при первом делении, делятся вновь. Реплицировавшиеся хромосомы присоединяются к веретену и их центромеры, наконец, делятся тоже. Из каждой реплицировавшейся хромосомы получаются, таким образом, две отдельные хромосомы, которые отходят к противоположным полюсам клетки. У каждого полюса из группы собравшихся здесь хромосом образуется гаплоидное ядро, в котором каждая исходная пара гомологичных хромосом представлена одним своим членом.

Теперь нам должно быть ясно, как происходит наследование различных пар генов, которое наблюдал Мендель. Два члена той или иной пары генов расходятся, когда при первом Делении мейоза происходит разделение гомологичных хромосом (рис. 13). Независимое распределение генных пар, принадлежащих негомологичным хромосомам, оказывается возможным потому, что различные пары хромосом перед первым делением мейоза могут выстраиваться в разных клетках по-разному (рис. 14).

Рис. 13. Закон расщепления отражает события, совершающиеся во время мейоза. Гомологичные хромосомы расходятся, так что каждый из членов пары хромосом попадает в отдельную гамету. Два парных гена (в данном случае А и а), находящихся в двух гомологичных хромосомах, должны в конечном счете попасть в разные гаметы.

Рис. 14. Независимое распределение возможно благодаря тому, что наборы гомологичных хромосом могут выстраиваться в любом порядке, прежде чем гомологи разойдутся при первом делении мейоза. Здесь изображена клетка, гетерозиготная по двум парам генов: Аа и Вb. Показано, что две ее пары гомологичных хромосом могут выстраиваться перед расхождением двумя разными способами, так что гаметы, образующиеся в результате мейоза, могут содержать четыре различные комбинации генов.

Независимое распределение хромосом (и содержащихся в них генов) в процессе мейоза создает возможность для возникновения многих различных генетических комбинаций. Кроме того, новые комбинации возникают при оплодотворении, когда хромосомные наборы двух гамет сливаются, образуя первое диплоидное ядро нового индивидуума. Таким образом, значение мейоза не только в том, что он предотвращает удвоение генетического материала в каждом новом поколении, но и в том, что он «тасует карты и сдает их по-новому».

ГЛАВА 7. Сцепление, кроссинговер и картирование

Опыты Менделя оставались безвестными вплоть до девятисотых годов, когда они были «вновь открыты» тремя биологами в трех разных европейских странах. Эти ученые обнаружили, что полученные Менделем результаты превосходным образом согласуются с поведением хромосом в процессе мейоза, который был изучен спустя 34 года после опубликования работ Менделя. Исследователи быстро пришли к убеждению, что изучавшиеся Менделем гены находятся в хромосомах.

Занявшись проверкой менделевских представлений на разных организмах, генетики обнаружили, что существуют такие пары генов, наследование которых не подчиняется соотношениям, установленным Менделем. Мендель нашел, что у индивидуумов, гетерозиготных по двум парам генов (например, АаВb), четыре типа гамет - АВ, Аb, аВ и аb - образуются с равной частотой. Это и позволило ему сформулировать закон, который мы теперь называем законом независимого распределения разных пар генов (см. главу. 4). Позже, однако, исследователи обнаружили много пар генов, не подчиняющихся этому закону: у потомков две из этих комбинаций встречались гораздо чаще, нежели две другие.

Как это можно объяснить? Если мы обратимся вновь к рис. 14, то увидим, что гены А и а распределяются независимо от генов В и b, потому что эти две пары генов лежат в двух разных парах гомологичных хромосом. Однако мы знаем (см. рис. 10), что каждая хромосома несет много генов. Каков будет результат, если в скрещивании участвуют две пары генов, находящихся в одной и той же паре хромосом?

Если два гена находятся в одной и той же хромосоме, то следует ожидать, что в процессе мейоза они не будут распределяться независимо, как это делают гены, лежащие в разных парах хромосом, а будут все время оставаться вместе и в конце концов попадут в одно и то же гаплоидное ядро. Иными словами, они будут вести себя так, как если бы они были сцеплены. Мендель был очень удачлив (или очень предусмотрителен) в выборе тех семи пар признаков, с которыми он работал: определяющие их факторы находятся в шести парах хромосом (всего у гороха семь пар хромосом).

Рассмотрим один из примеров генетического сцепления. Представим себе, что гены А и В локализованы в одной и той же паре гомологичных хромосом (рис. 15). Скрестим индивидуум, гомозиготный по доминантным генам для обоих признаков (ААВВ), с индивидуумом, гомозиготным по рецессивным их генам (ааbb). Гибриды от этого скрещивания все будут иметь генотип АаВb, поскольку гаметы одной родительской особи несут гены АВ, а гаметы другой - гены аb. Скрестив эти гибриды между собой, мы получим следующее отношение (фенотипов):

    3/4 с признаками А и В
    1/4 с признаками а и b

Таким образом, вместо отношения 9:3:3:1, характерного для дигибридного скрещивания (см. главу 4), мы получили отношение 3:1, типичное для моногибридных скрещиваний (см. главу 3). Если мы обратимся к гаметам, образующимся у гибридных индивидуумов F₂, то увидим, что, поскольку гены А и В сцеплены (т. е. находятся в одной хромосоме) и точно так же сцеплены гены а и b, независимое распределение пар Аа и Вb невозможно. Гены А и В вместе с несущей их хромосомой попадут в одну гамету, а гены а и b вместе с гомологом этой хромосомы-в другую гамету (рис. 15).

Рис. 15. Скрещивание с участием двух сцепленных пар генов, т.е. генов, находящихся в одной хромосоме. Гены, лежащие в одной хромосоме, не могут распределяться независимо; они передаются как единое целое (ср. с парами Аа и Вb на рис. 14). Поэтому отношения фенотипов и генотипов в F2 здесь не такое, как при дигибридном скрещивании с двумя несцепленными парами генов, а такое, как при моногибридном скрещивании.

Таким образом, сцепленные гены можно выявлять по отношению фенотипов в F₂. Если оно совпадает с менделевским отношением для дигибридного скрещивания, 9:3:3:1, то это означает, что данные гены распределяются независимо один от другого и, по всей вероятности, лежат в разных хромосомах. (Исключения возникают вследствие кроссинговера; см. ниже.) Если же вместо этого мы находим отношение 3:1, то гены, очевидно, сцеплены.

В процессе мейоза гомологичные хромосомы, прежде чем разойтись по разным ядрам, выстраиваются друг против друга. В это время части двух гомологичных хромосом могут перекрещиваться, отрываться и вновь присоединяться, но уже не к своей, а к другой хромосоме. Иными словами, хромосомы могут обмениваться фрагментами ДНК. Это явление называется кроссинговером. Кроссинговер ведет к перегруппировке генов, так что гены, которые ранее были сцеплены, оказываются теперь в разных хромосомах (рис. 16).

Рис. 16. Кроссинговер происходит в начале мейоза, когда реплицировавшиеся гомологичные хромосомы выстраиваются друг против друга. При этом участки гомологичных хромосом перекрещиваются, отрываются, а затем вновь присоединяются, но уже к другой хромосоме. В конечном итоге образуются четыре хромосомы с разными комбинациями генов. Хромосомы, названные здесь «рекомбинантами», несут новые комбинации генов (Аb и аВ), отсутствовавшие в исходных хромосомах (АВ и аb).

Насколько известно, кроссинговер с равной вероятностью может происходить в любой точке любой хромосомы. Следовательно, чем ближе друг к другу находятся в данной хромосоме два гена, тем меньше между ними возможных точек кроссинговера и тем реже будет кроссинговер между ними. Если гены близки друг к другу, то они будут оставаться в одной хромосоме и чаще передаваться по наследству вместе, чем порознь. По мере увеличения расстояния между генами все больше возрастает вероятность того, что кроссинговер разведет их по двум разным гомологичным хромосомам.

Относительное расстояние между двумя генами, лежащими в одной паре хромосом, можно определить, проведя большое число скрещиваний, сосчитав число потомков с каждым фенотипом и вычислив процент потомков с новыми, «кроссоверными» комбинациями генов. (В рассмотренном выше примере нам потребовалось бы для этого вычислить процент потомков, фенотипы которых свидетельствуют о том, что через гаметы родительских особей они получили хромосомы Аb или аВ вместо хромосом АВ и аb, имевшихся в соматических клетках этих особей.)

Накапливая данные от большого числа таких скрещиваний с разными комбинациями генных пар, генетики получают возможность строить хромосомные карты для различных организмов. Иными словами, они получают возможность определять, какие гены объединены в каких хромосомах и на каком относительном расстоянии друг от друга эти гены находятся (рис. 17). Подробные карты хромосом составлены для таких организмов, как плодовая мушка (Drosophila), лабораторные мыши, хлебная плесень (Neurospora), а также для некоторых бактерий и вирусов, т. е. для наиболее популярных объектов генетических исследований. (Хромосомная карта, представленная на рис. 17, имеет вид прямой линии, поскольку у эукариот линейны сами хромосомы. Напомним, что в бактериальных клетках содержатся кольцевые молекулы ДНК (см. рис. 12), а поэтому их генетические карты имеют форму кольца.)

Рис. 17. Генетическая карта одной из хромосом плодовой мушки Drosophila melanogaster. Показано расположение мутантных генов, идентифицированных в каждой из указанных точек. Две из этих мутаций, а именно star eye и jammed wing, доминантны, но большая их часть принадлежит к числу рецессивных. Расположение генов на карте никак не связано с расположением в организме мухи соответствующих морфологических структур, хотя для большей наглядности линии, ведущие к этим структурам, проведены так, чтобы они не пересекались.

Проверьте себя

1. У человека способность ощущать вкус фенилтиомочевины (ФТМ) является доминантным признаком. «Ощущающие» индивидуумы (ТТ или Тt) воспринимают как чрезвычайно горькие даже очень сильно разбавленные растворы ФТМ, тогда как «неощущающие» не воспринимают вкус этого вещества и в гораздо более высоких концентрациях.

1. Каковы генотипы супругов, если сами они ощущают вкус ФТМ, а один из их трех детей является «неощущающим»?
2. Каких фенотипов и в каких отношениях можно ожидать в потомстве от следующих скрещиваний:
   
       гетерозигота х гетерозигота;
       гомозиготный «ощущающий» индивидуум х гетерозигота;
       гетерозигота х «неощущающий» индивидуум.

2. При скрещивании двух дрозофил с нормальными крыльями у 88 потомков из 123 были нормальные крылья, а у 35 - укороченные.

1. Как наследуются гены нормальных и укороченных крыльев?
2. Какими были генотипы родительских особей в этом скрещивании?

3. Если самку с укороченными крыльями (см. п. 2) скрестить с ее «отцом», то скольких мух с нормальными крыльями следует ожидать среди ее 80 потомков?

4. У ряда видов растений имеется рецессивный ген альбинизма: гомозиготные по этому гену (белые) экземпляры неспособны синтезировать хлорофилл. Если у растения табака, гетерозиготного по признаку альбинизма, произошло самоопыление и 500 его семян проросли, то каким будет:

1. ожидаемое число потомков с генотипом родительской формы;
2. ожидаемое число белых экземпляров.

5. От спаривания двух мышей - Снифля, имевшего шерсть нормальной окраски, и альбиноски Эсмеральды - родилось шесть мышат с нормальной окраской шерсти. Затем Эсмеральду спарили с Вискерсом, шерсть которого была той же окраски, что и у Снифля. В этом случае некоторые мышата в помете оказались белыми.

1. Каковы вероятные генотипы Снифля, Вискерса и Эсмеральды?
2. Какого отношения фенотипов можно ожидать в потомстве от скрещивания самца из первого помета и самки из второго помета, имевшей шерсть нормальной окраски?
3. Каких результатов следует ожидать от скрещивания самца из первого помета с самкой-альбиноской из второго помета?

6. Хозяин ирландского сеттера собрался повязать своего кобеля. Однако ему известно, что в родословной его собаки есть носитель рецессивного гена, обусловливающего атрофию сетчатки. В гомозиготном состоянии этот ген вызывает слепоту. Прежде чем договариваться о вязке, владелец собаки должен убедиться в том, что она не является носителем этого гена. Как он может это сделать?

7. У кошек ген черной окраски шерсти (В) доминирует над геном рыжей окраски (b), а ген короткой шерсти (S) доминирует над геном длинной шерсти (s).

1. Постройте решетку Пеннета для каждого из следующих скрещиваний:
   1. BbSs х Bbss
   2. BBSs х Bbss
   3. BbSs х bbss
2. Какова ожидаемая доля особей с черной короткой шерстью среди потомков от скрещивания 2?

8. У растений томата ген пурпурной окраски стеблей (А) доминирует над геном зеленой окраски (а), а ген красной окраски плодов (R) доминирует над геном желтой окраски (r). Если скрестить два растения томата, гетерозиготных по обоим этим признакам, то какой будет среди потомков доля растений:

1. с пурпурными стеблями и желтыми плодами;
2. с зелеными стеблями и красными плодами;
3. с пурпурными стеблями и красными плодами.

9. От скрещивания, о котором шла речь в п. 8, получено и высеяно 640 семян. Определите ожидаемое число растений:

1. с красными плодами;
2. с зелеными стеблями;
3. с зелеными стеблями и желтыми плодами.

10. Если скрестить одну из родительских форм, указанных в п. 8, с растением, имеющим зеленый стебель и гетерозиготным по гену красной окраски ллодов, то какой будет среди потомков доля растений:

1. с пурпурными стеблями и желтыми плодами?
2. с зелеными стеблями и желтыми плодами?
3. с зелеными стеблями и красными плодами?

11. Владелец нескольких тигров, имевших шерсть нормальной окраски-с поперечными полосами-приобрел тигра с продольными полосами на шкуре. Скрестив это животное с одним из своих тигров, он получил потомство «в клеточку». При скрещивании этих клетчатых тигров между собой в. потомстве преобладали «клетчатые» животные, но было также и несколько особей с поперечными и продольными полосами. Составьте схему проведенных скрещиваний и укажите генотипы, определившие полученную окраску шерсти.

12. У коров гены красной (RR) и белой (R'R') окраски шерсти кодоминантны; у гетерозиготных особей (RR') шерсть чалая (красная с примесью белых волосков). У некоего фермера было три стада коров: белые паслись на клеверном поле, красные - на люцерновом, а чалые - на кукурузном. Был у него также чалый бык Фердинанд, обслуживавший коров на всех трех полях.

1. Какой окраски шерсти у телят следовало ожидать в каждом стаде и в каких соотношениях?
2. Фердинанд погиб от укуса пчелы, и фермер решил в память о своем любимом быке завести стадо, состоящее из одних только чалых коров. Он продал всех красных и белых коров и решил продавать всех красных и белых телят, которые родятся в дальнейшем. Какой масти быка следовало ему завести взамен Фердинанда, чтобы продать возможно больше телят?

13. У кур ген гороховидного гребня (Р) доминирует над геном простого гребня (р), а по генам черной (В) и белой (В') окраски наблюдается неполное доминирование: особи с генотипом ВВ' имеют «голубую» окраску. Если скрещивать птиц, гетерозиготных по обоим парам генов, то какая доля потомков будет иметь:

1. простой гребень?
2. голубую окраску?
3. белую окраску?
4. белую окраску и гороховидный гребень?
5. голубую окраску и простой гребень?

14. Самку дрозофилы, гетерозиготную по рецессивным генам темной окраски тела и миниатюрных крыльев, скрестили с самцом, имевшим темное тело и миниатюрные крылья. От этого скрещивания было получено:

    249 мух с темным телом и нормальными крыльями;
    20 мух с нормальной окраской тела и нормальными крыльями;
    15 мух с темным телом и миниатюрными крыльями;
    216 мух с нормальной окраской тела и миниатюрными крыльями.

Считаете ли вы, исходя из этих данных, две эти пары генов сцепленными или несцепленными? Если вы решили, что они сцеплены, то укажите, какое из двух приведенных ниже утверждении правильно описывает их сцепление у самки:

1. гены темной окраски тела и миниатюрных крыльев лежат в одной хромосоме, а гены нормальной окраски тела и нормальных крыльев - в ее гомологе. Во время мейоза произошли кроссинговеры.
2. гены темной окраски тела и нормальных крыльев лежат в одной хромосоме, а гены нормальной окраски тела и миниатюрных крыльев - в ее гомологе. Во время мейоза произошли кроссинговеры.

15. У дрозофилы ген красных глаз доминирует над геном пурпурных глаз, а ген длинных крыльев доминирует над геном укороченных крыльев. Самку, гетерозиготную по обоим признакам, скрестили с самцом, имевшим пурпурные глаза и укороченные крылья. В F₁ было получено:

    109 мух с красными глазами и длинными крыльями
    114 мух с красными глазами и укороченными крыльями
    122 мухи с пурпурными глазами и длинными крыльями
    116 мух с пурпурными глазами и укороченными крыльями

Считаете ли вы, исходя из этих данных, эти две пары генов сцепленными или несцепленными? Если вы решили, что они сцеплены, то укажите, какое из двух приведенных ниже утверждений правильно описывает их сцепление у самки:

1. гены красных глаз и длинных крыльев находились в одной хромосоме, а гены пурпурных глаз и укороченных крыльев - в ее гомологе. Во время мейоза произошли кроссинговеры.
2. гены красных глаз и укороченных крыльев находились в одной хромосоме, а гены пурпурных глаз и длинных крыльев - в ее гомологе. Во время мейоза произошли кроссинговеры.

Ответы на задания

1.

1. Оба являются гетерозиготами Tt.
2. 3/4 ощущающих : 1/4 неощущающих
   (=3 ощущающих : 1 неощущающий = 0,75 ощущающих : 0,25 неощущающих и т.д.)
   все ощущающие
   1/2 ощущающих : 1/2 неощущающих

2.

1. Ген нормальных крыльев доминантен, а ген укороченных крыльев рецессивен.
2. Оба родителя были гетерозиготами, с одним геном нормальных крыльев и одним геном укороченных крыльев.

3. 1/2 х 80 = 40 (1/2 потомства, т.е. 40 из 80) получит от отца ген нормальных крыльев.

4.

1. 1/2 х 500 = 250
2. 1/4 х 500 = 125

5.

1. Снифль: вероятно гомозиготен по нормальной окраске шерсти (которая должна быть доминантной)
   
   Вискерс: несомненно гетерозиготен, поскольку в его потомстве имелись особи как с белой, так и с нормальной окраской шерсти
   
   Эсмеральда: гомозиготна по гену альбинизма, поскольку этот рецессивный ген экспрессируется в ее фенотипе
2. 3/4 с шерстью нормальной окраски и 1/4 альбиносы
3. 1/2 с шерстью нормальной окраски и 1/2 альбиносы

6. Сначала ему следует повязать своего кобеля с суками, о которых известно, что они являются носителями гена атрофии сетчатки. Если среди щенят окажутся слепые, это будет означать, что кобель в качестве производителя не годится, будучи сам носителем этого гена. Отсутствие слепых среди щенят полной гарантии не дает: может быть, по счастливой случайности ни один щенок просто не унаследовал ген атрофии сетчатки от отца. Однако, чем больше будет число нормальных щенят, тем больше и вероятность того, что кобель не является носителем данного гена.

7.
    A

	BS	Bs	bS	bs
Bs	BBSs	BBss	BbSs	Bbss
bs	BbSs	Bbss	bbSs	bbss

    B

	BS	Bs
Bs	BBSs	BBss
bs	BbSs	Bbss

    C

	BS	Bs	bS	bs
bs	BbSs	Bbss	bbSs	bbss

b. 1/2

8.

1. 3/16
2. 3/16
3. 9/16

9.

1. 480
2. 160
3. 40

10.

1. 1/8
2. 1/8
3. 3/8

11. Примем: Т^A - поперечные полосы
                     Т^L - продольные полосы

12.

1. Клеверное поле: 1/2 чалые, :/2 белые
   Люцерновое поле: 1/2 красные, 1/2 чалые
   Кукурузное поле: 1/4 красные, 1/2 чалые, 1/4 белые
2. Масть быка не имеет значения: в любом случае 1/2 телят будут чалыми

13.

1. 1/4
2. 1/2
3. 1/4
4. 3/16
5. 1/8

14.

1. Гены сцеплены.
2. У самки гены черной окраски тела и нормальных крыльев находились в одной хромосоме, а гены нормальной окраски тела и миниатюрных крыльев - в другой, ее гомологе. О таком расположении свидетельствует большое число потомков с комбинациями «черная окраска тела + нормальные крылья» и «нормальная окраска тела + миниатюрные крылья».

15. Гены по всей вероятности не сцеплены. На это указывает тот факт, что все четыре возможных фенотипа представлены приблизительно равным числом потомков.

До 2050 року людей на Землі може стати менше через зміни клімату

 

Вчені з Оксфордського університету (Великобританія) під керівництвом професора Марко Спрингманна провели моделювання можливих наслідків глобальних змін клімату.
Результати роботи передбачають зростання смертності населення внаслідок погіршення якості продуктів харчування і викликана ними зміна маси тіла людей, пов’язана з недоїданням. Про дослідження розповідає вебсайт Оксфордського університету.

«Ми досліджували вплив змін в сільськогосподарському виробництві на здоров’я людини і виявили, що навіть незначне скорочення доступності їжі в перерахунку на окремого індивіда може призвести до значних зрушень у складі і харчової цінності дієти», — розповів професор Спрингманн.

Частка овочів і фруктів на людину може скоротитися до 2050 року на 4% в день (14,9 г), червоного м’яса — на 0,7% (0,5 г), енергетичної цінності — на 3,2 % (99 ккал).
Як показало дослідження, найбільшу шкоду може надати скорочення вживання овочів і фруктів — 534 тис. передбачених смертей. Для порівняння: втрати від зменшення споживання червоного м’яса можуть скласти до 29 тис. смертей.
Країнами, які матимуть найбільший обсяг небажаних наслідків глобальних змін клімату можуть стати держави з низьким і середнім рівнем доходів населення, розташовані в основному в західній частині Тихого океану (до 244 тис. смертей), Китай (248 тис.) і Індія (136 тис.).
Недолік споживання їстівних рослин (який, до речі, стане причиною 58% всіх смертей) буде найбільш гостро відчуватися в країнах, розташованих в західній частині Тихого океану (74%), в Європі (60%) та східному Середземномор’ї (42%). У державах Південно-Східної Азії та африканського континенту може відзначатися загибель дорослого населення, пов’язана з недоліком ваги, на частку яких припадатиме 47% і 49% всіх смертей, відповідно.
Вчені також підрахували, що заходи щодо скорочення небезпечних для навколишнього середовища виробничих відходів здатні збільшити кількість якісних продуктів харчування до 2050 року на третину. Дослідники повідомляють, що скорочення кількості забруднюючих речовин може знизити кількість смертей — від 29% до 71% в залежності від інтенсивності втручання.

Вчені довели, що рослинам під силу математика

 

Здавалося б, рослини тільки й створені для того, щоб ними милуватися; та якими б простими не здавалися вони на перший погляд, варто усвідомлювати, що щодня у них перебігає безліч складних процесів, які регулюють їх роботу. До цього часу було відомо, що за кожну з життєво важливих функцій рослини, а саме ріст, розвиток, дихання, обмін речовин, подразнення та розмноження, відповідає певна тканина чи орган. Проте навіть біологи недооцінювали розум рослини. Вивчаючи поведінку зразків у лабораторії, дослідники із Центра Джона Іннеса, Великобританія, встановили, що при визначенні швидкості використання крохмалю, який запасається у вакуолях, рослини фактично виконують математичну операцію ділення. Це докорінно перевернуло уявлення ботаніків про структуру рослинного організму.

Для денного живлення рослини використовують отриману від Сонця енергію, перетворюючи з її допомогою вуглекислий газ на крохмаль і цукор. Так поживні речовини за день накопичуються, і їх доводиться споживати рослині вночі в умовах відсутності світла.  Якщо запас крохмалю закінчиться раніше, аніж потрібно, рослина відчуває голод і її ріст припиняється, якщо  ж навпаки, крохмаль використовується повільно, – частина його виявляється непотрібною. Професори Мартін Говард та Алісон Сміт виявили, що у листках рослинних організмів міститься специфічний механізм, який за рахунок простого алгоритму регулює споживання крохмалю . Це відбувається наступним чином: механізм вимірює залишковий запас полісахариду і, використовуючи власний внутрішній біологічний годинник, оцінює, скільки часу залишилося до світанку. Тоді визначається відношення першої величини до другої, і вуаля! Швидкість споживання крохмалю визначено!
До того ж, такий алгоритм дає  гарантію, що до самого світанку рослина буде забезпечена харчуванням, навіть якщо ніч закінчиться занадто рано або з якихось причин зміниться рівень крохмалю у вакуолях. Як результат, до сходу Сонця споживається приблизно 95% накопиченого крохмалю, тобто рослина уникає нічного голодування і водночас максимально ефективно використовує живлення для нічного росту.
На думку Мартіна та Алісон, кодування вихідних даних, що необхідні для обчислень, може відбуватися за рахунок концентрацій молекул двох типів – S (концентрація крохмалю) та Т (час). Якщо концентрація S-молекул збільшується, механізм стимулює споживання крохмалю, а збільшення концентрації молекул типу Т призводуть до сповільнення цього процесу. Результуюча ж швидкість, за цією теорією, визначається саме відношенням концентрацій.
Професори-ботаніки вважають, що для підвищення врожайності сільськогоспродарських культур відкрита ними особливість росту рослин у темряві виявиться надзвичайно корисною.