Ген и его свойства

В процессе жизнедеятельности организма наследственный материал функционирует, редуплицируется, испытывает изменения мутационно­го или рекомбинационного характера. Классики генетики предполагали, что элементарной единицей этих процессов служит одна и та же структура — ген. В их представлениях он соответствовал наслед­ственным задаткам, открытым Г. Менделем. Выход генетики на молекулярный уровень исследования лишил ген положения единицы редупликации, мутирования и рекомбинации. В настоящее время ген рассматривается как единица функционирования наследственного материала. Это означает, что переда­чей генов в ряду клеточных или организменных поколений достигается материальная структурно-функциональная преемственность, наследование потомками признаков роди­телей.

Здесь целесообразно дать определение понятию «признак». Под признаком понимают единицу морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности организма, т. е. любое отдельное качество или свойство, по которому одну особь можно отличить от другой. Морфофизиологические и клинические признаки более сложны по сравнению с биохими­ческими или иммунологическими, которые сводятся к отдельным белкам. Сложность морфологических и клинических признаков зависит от того, что они генетически опосредуются через синтез нескольких ферментов, иммунопротеинов и т. д. Лишь по осуществлении ряда биохимических реакций, катализируемых этими ферментами, в орга­низме появляется соответствующий признак. Примером этому служит повышенная чувствительность к солнечным лучам и опухоли кожи, что типично для клиники наследственного заболевания пигментной ксеродермы. Долгое время считали, что названные признаки определя­ются самостоятельными генами, однако в настоящее время выяснено, что наследуется дефект фермента биохимической системы восстановле­ния молекулы ДНК от поражений ультрафиолетовым облучением. Сходные уточнения первичных звеньев, определяемых генетически непосредственно, будут, по-видимому, сделаны в отношении большин­ства, если не всех сложных признаков.

По химической природе ген представляет фрагмент молекулы ДНК,

который содержит информацию о последовательности аминокислот в определенном полипептиде или нуклеотидов в рибонуклеиновых кислотах (рибосомных, транспортных). В современной генетике указанный фрагмент ДНК обозначается термином «цистрон».

Ген как единица функционирования наследственного материала имеет ряд свойств. Одно из них — дискретность действия, т. е. развитие различных признаков контролируется разными генами, локализация которых в хромосомах не совпадает. Ген как дискретная единица наследственности отличается стабильностью (постоянством) — при отсутствии мутации он передается в ряду поколений в неизменном виде.

Действие генов специфично в том смысле, что каждый из них обусловливает развитие определенного признака или их группы. Способность отдельных генов обеспечивать развитие одновременно нескольких признаков называется плейотропией или плейотропным эффектом. Примером плейотропного эффекта гена у челове­ка служит синдром Марфана. Хотя это наследственное заболевание зависит от присутствия в генотипе одного измененного гена, оно характеризуется в типичных случаях триадой признаков: подвывихом хрусталика глаза, аневризмой аорты, изменениями опорно-двига­тельного аппарата в виде «паучьих пальцев», деформированной грудной клеткой, высоким сводом стопы. Все перечисленные признаки являются сложными. По-видимому, в основе их лежит один и тот же дефект раз­вития соединительной ткани.

Так как продуктом функции гена наиболее часто является белок-фермент, выраженность плейотропного эффекта зависит от распро­страненности в организме биохимической реакции, которую катализи­рует фермент, синтезируемый под генетическим контролем данного гена. Распространенность поражений в организме в случае наслед­ственного заболевания тем больше, чем выраженнее плейотропный эффект измененного гена. Примеры участия в развитии одного сложного признака сразу нескольких генов будут рассмотрены ниже.

Большинство генов существует в виде двух или большего числа альтернативных (взаимоисключающих) вариантов — аллелей. Все аллели данного гена локализуются в одной и той же хромосоме, в определенном ее участке, именуемом локусом. Альтернативный характер аллельных генов заключается в том, что одновременно в соответствующем локусе хромосомы может нахо­диться лишь один нз всех возможных аллелей конкретного гена. Серия аллелей возникает путем мутаций в одном и том же локусе. В силу это­го аллели отличаются друг от друга содержанием наследственной информации о признаке, развитие которого контролирует ген. Показателен пример с гемоглобинами человека, которых к настоящему времени идентифицировано более 100. Белковая часть нормального гемоглобина взрослых людей (НbА) представлена а- и р-полипептидами, каждый из которых повторен дважды. а-Полипептид образован 141, а бета-полипептид— 146 аминокислотными остатками. Более 80 вариантов гемоглобина отличаются друг от друга одним амино­кислотным остатком в а- или р-полипептиде, что указывает на мутационную природу аллелей, контролирующих их синтез. HbS отличается от нормального НЬА наличием s шестом положении полипептида валина, а НbС— лизина вместо остатка глутаминовой кислоты. Эти минимальные отличия меняют свойства гемоглобина настолько, что образование в организме исключительно HbS или НЬС приводит к заболеванию анемией. Генетико-биохимический анализ показал, что из трех названных гемоглобинов одновременно в орга­низме человека образуется только два. Обнаружены следующие варианты: HbS /HbS (серповидноклеточная анемия) или НbС/НbС (анемия в более легкой форме), а также НbА/HbS, НbА/НbС (клинически здоровые люди) и HbS/HbC (анемия). Это доказывает, что синтез НbА, HbS, НbС контролируется генами, занимающими один и тот же локус, т. е. аллельными.

В приведенном примере присутствие в организме человека двух разных аллелей приводит к образованию обоих вариантов р-полипептида гемоглобина: НЬА и HbS, НЬА и НЬС, HbS и НbС. Аллели, в одинаковой мере функционально активные в случае их совместного присутствия в генотипе, называются кодоминантными. Аллель, функциональная активность которого не зависит от наличия в организме другого аллеля данной серии, называется доминантным. Аллель, обеспечивающий развитие признака лишь в отсутствии других аллелей данного гена, обозначают как рецессивный. Так, пигментация радужной оболочки глаза, кожных покровов, волос человека зависит от образования черного пигмента меланина. Соответствующий ген представлен двумя аллеля­ми. Первый (доминантный), присутствуя даже в единственном экзем­пляре, проявляет себя в обязательном порядке, вызывая синтез меланина. Второй аллель (рецессивный) исключает возможность синтеза меланина (аллель-альбинизма) и проявляет себя лишь в отсут­ствие первого. Одной из форм взаимодействия аллельных генов является неполное доминирование, которое заключается в ослаблении действия доминантного аллеля в присутствии ре­цессивного. Так, активность фермента фенилаланингидроксилазы у но­сителей одновременно нормального и аномального (рецессивного) аллелей выше, чем у больных фенилкетонурией, имеющих два аномальных аллеля, но ниже, чем у носителей двух нормальных аллелей. Неполное доминирование отражает собой, по-видимому, дозированность действия доминантных аллелей.

Доминантность и рецессивность относительны. Так, развитие кожной складки над верхним веком (так называемое третье веко или эпикант) контролируется аллелем, проявляющим свойство доми­нантности у представителей монголоидной расы и рецессивности — у бушменов и готтентотов. Аллель роста волос на голове ведет себя как доминантный у женщин и рецессивный у мужчин. При массированном введении женщине в лечебных целях мужского полового гормона этот аллель нередко начинает проявлять свойство рецессивности, что инактивация комплекта генов одной из Х-хромосом в клетках женского организма, которая происходит после 16 сут. внутриутробного разви­тия путем ее гетерохроматизации и превращения в тельце полового хроматина.

Закономерности наследования, установленные Г. Менделем

Выдающийся вклад Г. Менделя в науку состоит в экспери­ментальном доказательстве наличия единиц наследственности (наслед­ственных задатков, генов) и описании их важнейших свойств — дискретности, стабильности, специфичности, аллельного состояния.

Разработав и применив в опытах на растениях гибридологический метод, Г. Мендель, анализируя результаты моно- и дигибридных скрещиваний гороха, пришел к заключению, что: 1) развитие признаков зависит от передачи потомкам наследственных задатков; 2) указанные задатки передаются в ряду поколений, не утрачивая своей индиви­дуальности, т. е. характеризуются постоянством; 3) наследственные задатки, контролирующие развитие конкретного признака, парные — один из них переходит к потомку от материнского, второй — от отцовского организма; в функциональном отношении эти задатки проявляют свойства доминантности и рецессивности; 4) в процессе образования половых клеток парные наследственные задатки попадают в разные гаметы (закон чистоты гамет); восстановление пар таких задатков происходит в результате оплодотворения; 5) материнский и отцовский организмы в равной мере участвуют в передаче своих наследственных задатков потомку.

Эти положения отражают общие принципы организации наслед­ственного материала: I) дискретное определение развития наследуемых признаков; 2) относительная стабильность наследственных единиц; 3) аллельное состояние наследственных единиц.

Из этих принципов вытекают правила (законы) наследования, сформулированные Г. Менделем: 1) единообразие признака у гибридов первого поколения; 2) расщепление альтернативных вариантов призна­ка среди особей второго поколения; 3) независимое комбинирование признаков родителей в потомках. Генетические закономерности, и первые открытые Г. Менделем, описывают правила независимого наследования, в основе которого лежит наличие дискретных единиц наследственности генов.

Признаки, наследование которых следует закономерностям, установленным Г. Менделем, называются менделирующими. Общее количество их, известных к 1975 г., составило более 2300. Все менделирующие признаки дискретны и контролируются моногенно, т. е. одним геном.