Лекция классическая и молекулярная генетика. Основные понятия: признак, фенотип, генотип, ген, локус, аллель, гомозигота, гетерозиго - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
«Закономерности наследования признаков, установленные Г. Менделем. 1 27.94kb.
1 Вопрос. Основные понятия генетики (генотип, фенотип, ген, аллель... 7 1370.58kb.
Закон Менделя. Генотип. Генетика Аутосома Ген. Кариотип. Дигетерозигота. 1 22.45kb.
I четверть 19. 10 Молекулярный уровень это интересно молекулярный... 1 19.37kb.
Лекция №2, Знания и умения профессионального археолога. Общие сведения... 1 311.08kb.
Учебно-методический комплекс по дисциплине дс. 01. 5 «Молекулярная... 8 1476.42kb.
Кафедра технологии производства и переработки сельскохозяйственной... 1 29.34kb.
Программы дисциплины «Молекулярная биология» Дисциплина «Молекулярная... 1 22.11kb.
Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии... 1 158.04kb.
Молекулярно-генетический анализ факторов риска коронаросклероза и... 5 385.76kb.
Учебников, учебных пособий 1 176.75kb.
Сборник научных трудов «молекулярная и прикладная генетика» 1 183.77kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Лекция классическая и молекулярная генетика. Основные понятия: признак, фенотип, - страница №1/3

ЛЕКЦИЯ 1. Классическая и молекулярная генетика. Основные понятия: признак, фенотип, генотип, ген, локус, аллель, гомозигота, гетерозигота, гемизигота.
О.Э. Костерин, ИЦиГ СО РАН и ФЕН НГУ, Новосибирск, 2012 г.
1.1. Классическая и молекулярная генетика
Как и в случае практически любой науки, границы генетики очертить довольно сложно, и весьма общее определение «генетика – наука о наследственности» - не особенно плодотворно. Академик Игорь Федорович Жимулев, к примеру, как-то сказал, что сейчас генетика присутствует везде – в медицине, криминалистике, теории эволюции, археологии, а в самой генетике даже и нуклеиновых кислот уже почти не видно – сплошь белок-белковые взаимодействия. Тем самым он фактически поставил знак равенства между генетикой и всей современной биологией. С другой стороны, приблизительно первые две трети ХХ века генетика была, пожалуй, наиболее обособленной и четко-очерченной областью биологии, выделяясь прежде всего своей синтетической методологией, в отличие от аналитической методологии прочих отраслей биологии. Чтобы узнать об устройстве своего объекта, она не разделяла его на части, но судила о частях косвенным образом, путем наблюдения целого (а именно посредством наблюдения за поведением признаков в скрещиваниях) и опираясь на математику, а в верности своих выводов убеждалась, получая живые организмы с предсказанными свойствами. Таким образом, генетика с самого своего начала обладала способностью создавать нечто новое, а не только описывать наблюдаемое. В то же самое время, во второй половине ХХ века бурно развивалась молекулярная биология – наука поначалу чисто аналитическая, расщепляющая на части. Впрочем, ее прогресс осуществлялся во многом генетическими методами – вспомнить хотя бы то, что генетический код был установлен в опытах Бензера и Крика с использованием мутаций у бактериофагов. Однако в этом случае использовалась генетика микроорганизмов, а прогресс «классической» генетики ассоциировался скорее с генетикой эукариот.

В итоге, молекулярная биология получила почти исчерпывающие знания о том, из чего и как устроен живой организм. Предметы молекулярной биологии и генетики во многом пересекались: обе они изучали передачу и реализацию наследственной информации (а живой организм – это и есть сама по себе реализация наследственной информации), однако к пониманию этого предмета они двигались с противоположных сторон – генетика «снаружи», молекулярная биология «изнутри».

В последнюю треть ХХ века молекулярная биология и генетика, можно так сказать, встретились, в том числе и в изучении эукариот. Умозрительные объекты генетики превратились в совершенно конкретные физико-химические объекты известной структуры, а молекулярная биология стала наукой синтетической, способной влиять по своему произволу даже на высшие многоклеточные организмы – взять хотя бы генетическую модификацию. В результате границы генетики как науки стерлись до неразличимости – нельзя стало сказать, где кончается молекулярная биология и начинается генетика. Более того, для обозначения получившейся синтетической науки появился термин «молекулярная генетика», в результате чего стало не вполне понятно, что именно осталось в генетике за пределами последней. Генетике домолекулярного периода, со всеми ее подходами, основанными на скрещиваниях и теории вероятностей, был присвоен почетный титул «классическая генетика». С другой стороны, с этим титулом ее как бы отправили в почетную же отставку. Можно вспомнить, как Уотсон и Крик отказались обсуждать свою модель структуры ДНК в их статье в Nature, поскольку следствия из нее были слишком велики и очевидны. В какой-то момент могло показаться, что из этой модели вытекает и вся генетика.

Складывается парадоксальная ситуация. Все курсы генетики начинаются с истории этой науки. Разбирается то, как Мендель работал с горохом, что он получил и как это интерпретировал исходя из имеющихся у него знаний, потом как Морган и его школа работали с дрозофилой, что они получили и как интерпретировали. Обе эти темы опустить никак невозможно – Мендель являет нам пример человека, с нуля разработавшего и с блеском применившего генетическую методологию, основанную на математике, а школой Моргана за первые три десятка лет ХХ века была разработана хромосомная теория наследственности и фактически вся классическая генетика. Однако курсы генетики можно разбить на два больших класса. Одни детально прорабатывают всю историю и внутреннюю логику развития этой науки, демонстрируя и мощь ее методологии, и возможности человеческого разума в умозрительном проникновении вглубь вещей. Другие курсы, быстро проскочив этот исторический период, приступают к молекулярной генетике и там рассматривают что же известно на настоящий момент о структуре и работе генов. Фактически оба типа курсов помещают классическую генетику в прошлое и различаются только по детальности ретроспекции. Получается, что классическая генетика имеет как бы только историческое значение. Однако ее мощная методология никуда не делась и является необходимой для весьма широкого спектра исследований. Если заглянуть в статьи, имеющие вполне молекулярно-биологические названия и опубликованные в лучших журналах, то мы увидим, что все они основаны на обширном материале, касающимся сотен индивидуальных мутаций и их сочетаний, с учетом взаимосвязи природы мутаций и того фенотипа, который они вызывают. Это справедливо как для дрозофилы или мыши, для которых собраны огромные генетические коллекции и созданы (некоторые около ста лет назад, другие недавно) специальные лабораторные линии, так и для человека, где в настоящее время накоплено огромное количество медико-генетических – по сути популяционно-генетических - данных, связанных с наследственными заболеваниями. И чем богаче этот арсенал генетических знаний и экспериментальных моделей, тем изящнее работа. Все эти более чем серьезные исследования невозможны без одновременного владения методологией классической и молекулярной генетики. Поэтому и изучать эти «две генетики» лучше всего параллельно, как ни сложно это организовать.

В современной науке можно наблюдать и примеры того, как пренебрежение «устаревшей» классической генетикой приводит к курьезам. Вот например, группе европейских ученых понадобилось получить гетерозиготу по транслокации у гороха. (Я сейчас говорю исходя из того, что у вас есть некое представление о чем идет речь при употреблении подобных терминов. Если нет – не беда, все это мы еще будем рассматривать едва ли не слишком подробно; пока же мы говорим о необходимости генетических знаний). Они получили ее посредством слияния протопластов родительских линий. Регенерация из культуры клеток у гороха идет крайне тяжело, это исключительно трудоемкий путь. Зачем они это сделали? По-видимому, они думали, что носители транслокации не скрещиваются с обычным горохом! На самом деле, проблемы с размножением при скрещивании растений, различающихся транслокацией, действительно возникают, но только в следующем поколении, и состоят они в потере всего лишь половины плодовитости.

Но этими ученым хотя бы нужна была гетерозигота. Между тем всеобщее увлечение молекулярной биологией и пренебрежение к классической генетике приводит к тому, что о существовании гетерозигот – то есть о том, что у большинства эукариот каждый ген представлен в двух копиях, которые могут различаться, а могут быть идентичны - часто вообще забывают. К примеру, мне на рецензию приходила статья немецких авторов, в которой они прочитали, некую некодирующую последовательность ядерной ДНК, путем ее амплификации из тотальной индивидуальной ДНК, из 38 особей стрекоз, пойманных в разных регионах (Западной Европе, Западной Сибири, Японии и Северной Америке) и нашли у них 20 ее вариантов. Написано было так, как если бы в каждой особи был найден только один вариант. Однако если изменчивость действительно так высока, как они утверждают, то вероятность того, что в их выборке найдется хотя бы одна особь, у которой обе копии этой последовательности окажутся одинаковыми, не очень сильно отличается от нуля. А у гегерозотных особей первичная структура ДНК не может быть расшифрована однозначно. И это даже никак не обсуждалось! После рецензии они написали, что в пяти случаях было подозрение на гетерозиготность. Если действительно всего пять – то у них в руках был поразительный феномен превращения гетерозигот в гомозиготы после оплодотворения посредством неизвестных пока механизмов, но они этого, похоже, даже не поняли.

Сейчас широко распространены реконструкции филогении на основе тех или иных последовательностей ДНК. Так вот, сплошь и рядом делаются попытки на основе времени дивергенции между популяциями судить, относятся ли эти популяции к одному биологическому виду или к разным. (Заметим, что оценивается именно время дивергенции, поскольку изучаемые гены, изменчивость которых более или менее постоянна во времени, заведомо не являются теми генами, с изменением которых видообразование могло быть связано). Между тем, время дивергенции вообще имеет мало отношения к этой проблеме – моменты приобретения некоей локальной популяцией репродуктивной изоляции, то есть моменты видообразования, случаются в определенных условиях и обычно занимают с палеонтологической точки зрения не так много времени (десятки-сотни тысяч лет), тогда как популяции могут дивергировать долгое время без видообразования. Вопрос состоит в именно том, чтобы узнать, имеется ли между популяцииями репродуктивная изоляция (хотя бы потенциальная). Для этого следует посмотреть, идет ли между ними обмен генами (если он физически возможен). Здесь как раз очень важно узнать, присутствуют ли в местах стыка исследуемых популяций гетерозиготы по характерным для каждой из них аллелям и какова их частота. Но эту трудоемкую задачу осуществляют крайне редко, и о том, к одному и тому же или к разным видам принадлежат популяции, судят по уровню различий между ними, сравнивая их с различиями в тех случаях, которые полагаются несомненными.

Вообще, если отдельно взятый организм (допустим как представитель своего вида) можно исследовать методами молекулярной генетики, то как только речь заходит о множестве организмов, то есть возникает популяционно-генетическая задача – а такая задача возникает достаточно часто - например в популяционной биологии, селекции, медицине – не обойтись без подходов классической генетики. Классическая генетика незаменима во всем, что касается индивидуальных различий и характеристик множеств особей одного вида. Это именно ее стихия, и именно в ней часто оказываются беспомощны те нынешние ученые, которые заменили классическое генетическое образование молекулярно-биологическим.

Исходя из вышесказанного, я вижу свою задачу в том, чтобы изложить классическую генетику не столько в историческом аспекте, следуя за великими учеными прошлого, сколько отталкиваясь от современного состояния науки, в частности - не абстрагируясь от знаний, которые вы уже получили на курсах молекулярной биологии и цитологии. При этом некоторые закономерности, открытые в качестве чисто эмпирических на уровне организмов, приобретают вполне естественную интерпретацию на уровне молекул и выглядят едва ли не тривиальными. В то же время, о самих этих закономерностях следует иметь четкое представление, поскольку именно ими следует пользоваться на уровне организмов. В некотором смысле, такой курс генетики мыслится как нечто вроде «демонстрации фокусов с разоблачениями» - где и сам фокус, и его подоплека в равной мере являются «медицинскими фактами». Такой курс был бы призван научить весьма продуктивной методологии: спускаться от признака к генам и, через понимание механизма их действия, подниматься обратно, к синтезу новых признаков.

Как вы уже поняли, в настоящий моменту содержание генетики огромно и разнородно, так что отведенного нам времени вряд ли хватит даже на краткое ознакомление. Это заставляет оставить за кадром историю генетики как самостоятельную тему, которой должен был бы быть посвящен спецкурс, хотя в некоторых наиболее важных случаев без исторических экскурсов нам не обойтись.

К сожалению, очерченному выше идеалу изучения генетики на современном этапе – от признака к гену и обратно – не соответствует ни один имеющиеся учебник, скорее всего потому, что эта наука развивается сейчас слишком быстро. В качестве некоторой компенсации этого обстоятельства я буду стараться выкладывать свои скромные лекции на мой собственный интернет-сайт, где они будут доступны тем, кому я сообщаю их адрес – то есть вам. Я бы порекомендовал взять за основу учебник С.Г. Инге-Вечтомова «Генетика с основами селекции». Хорошо известен также учебник академика Игоря Федоровича Жимулева «Общая и молекулярная генетика», в котором основной упор делается именно на молекулярную генетику. Могу добавить, что лично я нахожусь здесь и вообще работаю в Институте цитологии и генетики исключительно потому, что прослушал курс генетики Владимира Александровича Бердникова. Это был лучший учебный курс, который я слышал, и он вообще не соответствовал никакому учебнику, потому что В. А. готовил его по материалам последних обзоров в научной периодике, еще не вошедших ни в какие учебники. Игорь Федорович тоже превратил в учебник свой оригинальный курс лекций.

Мы с вами коснемся основ генетики весьма основательно, с тем, чтобы их хорошо прочувствовать. Начнем мы с самого начала, чтобы не дай бог не упустить чего-нибудь простого, но важного - невзирая на то, что самые элементарные основы генетики проходят еще в школе. С другой стороны, я имею дело с тетьекурсниками, которые уже прошли курс молекулярной биологии и в данный момент проходят теорию вероятности и математической статистики, что позволяет мне не слишком отвлекаться на материалы этих столь необходимых для изучения генетики дисциплин. Я, к примеру, буду исходить из того, что вы знаете (или в нужное время узнаете), что такое альтернативный сплайсинг или распределение Пуассона.

В наше время стандартная логика изложения общей биологии состоит в движении снизу вверх, от атомов к молекулам и макромолекулам, далее – к структурам клетки, к жизни самой клетки и далее – к многоклеточному организму. Когда мы знаем принципы организации жизни до конца, этот порядок изложения получается органичным и естественным. В эти принципы входит и механизм функционирования нуклеиновых кислот как носителя информации, прежде всего о разнообразных белках и функциональных РНК (функции которых после открытия малых РНК оказались более разнообразными, чем считалось ранее), причем не только об их структуре, но и о том, когда, где и сколько тех или иных РНК или белков должно синтезироваться. Управление этими процессами осуществляется опять-таки с помощью определенных белков (а нередко и РНК). Налицо каскадный принцип разворачивания генетических систем управления – гены кодируют белки (РНК), необходимые для того, чтобы управлять генами, которые кодируют другие белки (РНК) и т. д. Поскольку почти все вообще в организме «делается» белками (плюс некоторыми РНК), то получается, что фактически в нуклеиновых кислотах записана информация обо всем организме вообще - однако считывание этой информации невозможно без ранее синтезированных (опять-таки по матрице ДНК) белков, которые и оперируют с ДНК.

Этот порядок изложения полностью совпадает с тем порядком, в котором развивалась сама жизнь. Сначала это были какие-то «простые» (но лишь по сравнению с тем, что из них потом возникло) системы из самовоспроизводящихся макромолекул, по-видимому, нуклеиновых кислот. Потом им случилось окружить себя фосфолипидной мембраной, что позволило им строить свой собственный микрокосм внутри нее. Так возникли клетки. Все большую роль в функционировании этих первых живых существ приобретали белки, но контроль полностью сохранился за нуклеиновыми кислотами. Клетки усложнялись и научились делиться все более правильно. После деления они иногда не расходились, образуя колонии. Перед этими колониями возникали все более сложные проблемы в связи с их размерами и формой – всем клеткам в колонии нужно было доставить все необходимое для жизни и отводить продукты метаболизма. Разрешение этих проблем было достигнуто за счет определенной структуры колоний и разделению труда между составляющими их клетками, что немаловажно - при сохранении их полной генетической идентичности – иначе вместо кооперации мы имели бы конкуренцию, как в раковой опухоли. Простые колонии превратились в государства клеток, т. е. в многоклеточные организмы. Были решены также проблемы их самовоспроизведения как сложных структур, причем это удалось реализовать так, что каждый организм мог развиваться из одной клетки посредством разворачивания сложной генетической программы, регулирующей деления клеток и взаимодействия между ними.

Однако такой стандартный порядок изложения биологических знаний отвлекается от того, каким образом они были получены. А получены они были по мере развития науки в прямо противоположном направлении – от организмов к органам, клеткам, макромолекулам и атомам. По мере погружения на каждый из этих уровней ученые могли только делать догадки о том, как устроен уровень более глубокий. Когда-то максимум, что они могли сделать, это вскрыть тело, посмотреть на органы и предположить, как они работают. Когда открыли клетки, сначала считали, что они заполнены пустотой. Потом открыли протоплазму, но сначала видели ее только как вязкую жидкость, в которой, однако же, каким-то таинственным образом содержалась сущность жизни. Открыли ядро и органеллы клетки. Нашли красители, которые по-разному их красят, и тем самым подступились к их химическому составу. В конце ХIХ в. обнаружили нуклеиновые кислоты и выяснили их приблизительный химический состав, но их конкретная структура долго оставалась загадкой, разгадка которой выглядела столь блестяще. На этом погружение вглубь биологии, пожалуй, прекратилось, к концу ХХ в. все основные принципы биологии были открыты. Пришел период накопления частностей на этом углубленном молекулярном уровне. Их оказалось необычайно много. Сейчас мы переживаем период, когда это огромное количество частностей начинают соединять в некую связную картину – модель устройства живого организма. Причем эта модель, при всей ясности ее принципиальной организации, столь огромна по объему частностей, что она далеко не может быть в полной мере воспринята человеческим сознанием, так что не только ее построение, но и наглядное описание и использование невозможно без современных компьютеров.

В то же время классическая генетика силами буквально нескольких талантливых ученых развилась почти в полном виде в течение первых трех десятилетий ХХ века в качестве стройной и логичной науки. Она как раз являет собой самый яркий пример движения от макроуровня к микроуровню. Она реконструирует схему устройства системы по ее поведению, подходя к ней как к черному ящику, как если бы в руки к ученым попали инопланетные механизмы неизвестного устройства безо всяких к ним схем и инструкций. Можно отметить две ее главные особенности. Первое, это поразительная глубина реконструкции, которой она достигала при недостатке прямой информации об устройстве объекта. Мощь классического генетического подхода впечатляет: имея дело лишь с видимыми признаками, он позволил создать представление об умопостигаемых генах, об их размещениях на каких-то таинственных линейных носителях, об изменениях генов и этих носителей. Отталкиваясь от картины наследования признаков, с его помощью были получено представление о структуре носителей генетической информации, передаче этой информации потомкам и превращения её в живую плоть. Вторая особенность – уже упоминавшийся синтетический, а не аналитический характер генетических знаний, справедливость которых в самом процессе их получения сразу же воплощалась в создании некоего нового – организмов с новыми признаками. Достаточно иметь хорошо изученную генетику немногих модельных объектов, тогда об остальных объектах можно судить по мере сходства с ними. Известный афоризм Томаса Моргана «что верно для мухи, то верно для слона», конечно, является довольно сильным преувеличением, и мы в этом убедимся. Однако такой подход (нашедший свое выражение также в так называемом законе гомологических рядов Н.И. Вавилова) все же работает.

Основным методом классической генетики являются скрещивания. К большинству своих выводов генетики пришли, наблюдая за поведением признаков родителей и потомков, причем действия исследователя с каждым новым поколением определяются результатами, полученными на предыдущем. Поэтому генетическое исследование немного напоминает шахматную партию. Выводы, получаемые из таких исследований, были на редкость детальны и, как показало дальнейшее развитие науки, верны. Грегор Мендель в своих опытах на горохе во второй половине XIX в. фактически постулировал существование и описал поведение хромосом в мейозе, не имея ни малейшего представления о хромосомах. Отношение генов к хромосомам было установлено только в начале XX в., и почти до его середины сильно подозревали, что материальным носителем наследственности являются белки. Иными словами, если прочие отрасли биологии не очень отрывались от описательного подхода, то генетика в своих моделях далеко опережала то время, когда изучаемые ею объекты стало можно описывать как материальные сущности. В трагический период истории отечественной науки, подпавшей под идеологический диктат в 30-50е годы прошлого века, это дало повод объявить генетику идеалистической лженаукой и отбросить нашу страну, бывшую на ее переднем крае, далеко назад, причем уничтожив лучших генетиков физически.

Такая познавательная сила классической генетики как науки, способной на основании поведения признаков в скрещиваниях делать верные выводы о поведении неких микроструктур клетки, даже не имея представления о том, из чего они состоят, связана прежде всего с тем, что генетика включает в себя много математики из различных ее отраслей. А само это обстоятельство вызвано тем, что объектом генетики является не некая биологическая структура, а информация. Информацию можно изучать независимо от того, на каком материальном носителе она реализована. Так, программист в своей работе не нуждается в знаниях о том, как именно его программа воплотится в состоянии кристаллов в процессоре компьютера, хотя он и в курсе того, что реализована она будет именно на этой физической основе. Генетика – это по сути биологическая информатика. Раньше информатика называлась кибернетикой. И это была еще одна «лженаука», подвергшаяся гонениям при Сталине и Хрущеве, при всей разнице между ними. (К счастью, тогда кибернетика не была настолько развита, как генетика; как следствие этой компанией был нанесен меньший ущерб науке в целом).



«Классическую» генетику (иногда называемую менделевской, хотя то, что имеется в виду, много шире того, что открыл Мендель, и здесь более бы подошло пресловутое идеологическое клеймо «менделизм-морганизм») можно определить как науку о наследственности, оперирующую с абстрактными элементами системы управления развитием организма, отвлекаясь от их материального носителя и по сути не нуждаясь в нем. Соответственно, молекулярную генетику можно определить как науку о молекулярных механизмах, лежащих к основе наследственности. Надеюсь, излишним был бы призыв не придавать этим и подобным им формальным определениям большого значения. В реальной научной практике «двух генетик», и тем более границы между ними не существует, а сами по себе вышеприведенные определения лишь указывают общее направление мысли

Впрочем, известно, что любое определение чего бы то ни было несовершенно, поскольку наше мышление – не математическая логика и понятия – то, чем оперирует наше мышление – не сводятся к словам – гораздо более простому коду, при помощи чего мы с теми или иными потерями фиксируем и сообщаем результаты мышления. Понятия можно только понять (с той или иной степенью отчетливости), наблюдая за их взаимодействиями с ранее понятыми понятиями на множестве текстов, где понятия обозначены словами. Определение – всего лишь наиболее краткий и эффективный текст, приближающий к пониманию, но всегда найдутся ситуации, где любое определение не работает (притом что понятия – работают). Где возможно, я пытаюсь давать определения, которые мне кажутся наиболее удачными, не особенно заботясь о том, насколько они соответствуют предложенным ранее или оригинальны, но не отношусь к ним слишком серьезно и очень далек от мысли, что записывание их под диктовку и зазубривание может облегчить понимание предмета.

Поначалу генетика состояла в одиноком подвиге единственного ученого, которого не понял ни один современник и который, в силу личного гения и разностороннего образования, и сам предложил плодотворную методологию, и скрупулезно провел длительные и обширные эксперименты, и сделал неочевидное умозрительное предположение. Вскоре после переоткрытия генетики, то есть ее возникновения уже в качестве науки многих, было обнаружено, что факторы наследственности расположены в строго определенном порядке и на определенном расстоянии друг от друга в нескольких линейных структурах, количество, относительный размер и поведение которых совпадало с количеством, относительным размером и поведением хромосом в мейозе. Хромосомная теория наследственности была сформулирована в 1900–1903 гг. американским цитологом Уильямом Сеттоном и немецким эмбриологом Теодором Бовери и в дальнейшем развита знаменитым американским генетиком Томасом Морганом и его школой – Мёллером, Стертевантом, Бриждесом. (Это они впервые, с 1906 г., стали проводить исследования на дрозофиле, причем сначала они планировали кроликов, но этот план не пропустил финансовый менеджер их университета. Первым же начал культивировать дрозофилу Чарльз Вудворт, он же предположил, что она может стать удобным объектом для изучения наследственности.) И вот этот важный вывод о нахождении факторов наследственности в хромосомах, полученный столь рано, отвергался официальной наукой в СССР с конца 1940-х до начала 1960-х гг.!

Изучение умозрительных генетических карт и различных частей хромосом сделало очевидным, что гены расположены именно в них. Но классической генетике это не так уж и необходимо – ее модели, проверяемые по результатам скрещиваний, ставили гены в своего рода «виртуальные хромосомы». Так что и по сию пору для большинства объектов существуют два рода карт хромосом: физические карты, показывающие, в каких именно местах на видимых в микроскоп хромосомах или на детектируемой приборами молекуле ДНК расположены гены, и генетические, или рекомбинационные карты, реконструирующие взаимное расположение генов по результатам скрещиваний. Порядок генов в этих двух типах карт полностью совпадает, относительные расстояния между ними – далеко не всегда, и этому имеются вполне исчерпывающие объяснение, о чем сказано будет позже.

Как наука об информации и управлении, классическая генетика даже структуру имеет подобную математике. Она вся держится на системе умозрительных априорных понятий, с которыми соотносятся наблюдаемые явления (в отличие, к примеру, от цитологии, понятийный аппарат которой вводится исходя из видимых глазом эмпирических фактов). Конечно, многие генетические понятия возникают на основе наблюдаемых фактов, но основные из них вводились скорее как умозрительные математические понятия. Понятий и соответствующих им терминов в генетике много. Но они действительно нужны, и, будучи введенными, практически исчерпывают предмет. Во многих случаях достаточно сопоставить наблюдаемое явление с подходящим понятием, и все становится ясно. Пожалуй, в качестве лучшего учебника по генетике мог бы служить хороший толковый словарь генетических терминов. К сожалению, в соответствующей генетическим понятиям терминологии (а понятия и термины – это не одно и то же) за время существования генетики накопился изрядный разнобой, на чем я буду специально заострять внимание, чтобы вы не были введены в заблуждение различным словоупотреблением в разнородной генетической литературе. Педагогически правильнее было бы вводить понятийный аппарат и терминологию по мере того, как в них возникает необходимость. Но не будет вреда, если ввести и обсудить основные понятия с самого начала. Будем исходить из того, что с некоторыми понятиями вы уже знакомы хотя бы из школьного курса и иногда пользоваться ими еще до их детального обсуждения.
1.2. Признаки организмов. Фенотип и генотип.
Пожалуй, самым важным генетическим понятием является признак. Генетика как наука началась именно в тот момент, когда Грегор Мендель начал анализировать отдельные признаки, а не всю наследственность как единое целое. Скажите, что такое признак? И сколько их может быть? Признак – это все что угодно, связанное с особью, лишь бы был способ как-то его зарегистрировать. Рост, вес, цвет, высота крика, половина длины хвоста, прибавленная к квадратному корню из трети длины носа, количество волосков в бороде, форма норы или муравейника, продолжительность времени, в течение которого можно не дышать под водой, количество любовников у матери или дочери изучаемого субъекта. Я не шучу – среди признаков носителей определенного варианта одного из рецепторов к дофамину фигурирует высокая частота признака «вырос без отца» (понятно, что здесь речь шла скорее о признаке одного из родителей, а не самого обсуждаемого субъекта, который, впрочем, мог унаследовать некую предраположенность к оставлению своей семьи).

Выбор огромен, но чем удачнее, мудрее или остроумнее вы выберете признак, тем больше информации узнаете из опыта. Понятно, что прибавлять квадратный корень из длины носа к длине хвоста не следует, так как обе длины имеют одну и ту же размерность, и в результате вы получите математическую абракадабру. А вот если прибавлять к длине хвоста кубический корень из массы тела, с определенным коэффициентом (обратным плотности), то это имеет больше смысла, ведь масса зависит от куба линейных размеров и, извлекши кубический корень, мы получим величину, соизмеримую с длиной хвоста, а сложив две упомянутые величины, получим некое мерило линейных размеров.

Легко понять, что далеко не все признаки из их бесконечного разнообразия одинаково информативны. Некоторые информативны одинаково, но ничего друг к другу не добавляют. К примеру, если взять два таких признака: длина правой ноги и длина левой ноги, то даже интуитивно понятно, что хотя две ноги и могут слегка различаться по длине, второй мало что добавит к первому. Возьмем такие признаки: длина левой ноги и рост. Что мы можем сказать о них? Чем больше рост, тем больше длина ног,– это совершенно очевидно. Рост и длина ног коррелируют – не более, но и не менее того. И действительно, если возьмем выборку людей, померим рост и длину ног и вычислим коэффициент корреляции, то он будет довольно близок к единице и высокодостоверен. Но мы знаем, что люди вообще-то бывают коротконогие и длинноногие. И если мы возьмем рост и отношение длины ног к росту, то получим два совершенно независимых признака – линейные размеры и длинноногость, которые могут наследоваться независимо.

Существует набор математических методов, называемый многомерной статистикой (в частности, метод главных компонент), который позволяет из N любых измеренных нами признаков получить N новых признаков, представляющих собой линейные комбинации исходных (их суммы с разными коэффициентами), которые не будут коррелировать друг с другом. Это означает, что каждый из них будет нести независимую информацию. И если мы посмотрим на то, как составлены N этих новых признаков, то увидим, что один из них отражает, к примеру, линейные размеры (сюда войдут всякие длины тела, рук, ног и т. д.), другой – толщину, третий – неравномерность толщины (выраженность талии, бедер и бюста), четвертый – относительные размеры головы, пятый – смуглость кожи и т. д. Такие признаки наиболее информативны, причем они имеют разный вклад в общую изменчивость объектов, который также можно оценить. Однако даже методы многомерного анализа не решают проблемы дублирования признаков, дублирование всего лишь увеличивает упомянутый относительный вклад в общую изменчивость того нового признака, в который эти признаки попадают. Проблема дублирования признаков не решена в математической статистике до сих пор.

Признаки могут быть самыми разными, однако распадаются на два больших класса – качественные, или альтернативные, и количественные, или континуальные. Признак является качественным в том случае, когда изменчивость проявляется в существовании нескольких альтернативных вариантов признака, то есть в принадлежности особи к определенному четкому классу, причем отнесение ее к одному из классов не вызывает сомнений. К примеру, можно выделить два таких класса особей человека как мужчины и женщины. Женщин тоже можно разделить на несколько альтернативных классов. Допустим, одета девушка в брюки или ее ноги одеты в единый цилиндрический кусок материи – платье или юбку. Получаем два класса. Последний случай можно разбить на два класса – одета в платье или в юбку. Получаем три класса женщин. Женщины наверняка могут выделить много альтернативных классов относительно одежды и при этом не испытают ни малейших затруднений в классификации. Классические примеры: цветы гороха – белые или пурпурные, глаза дрозофилы – опять-таки белые или пурпурные; забавно, но оба органа могут быть еще и розовыми, и это еще одно состояние качественного признака, отдельный класс. В тех случаях, когда можно выделить качественные (альтернативные) признаки, а особи, принадлежащие к разным классам (вариантам) регулярно встречаются в природе, принято говорить о полиморфизме, а сами классы (варианты) этих признаков обычно называть морфами, или формами Изначально это одно и то же слово, по-гречески и по латыни, но значение второго слишком многозначно, и его лучше избегать. Этимологически оба слова обозначают форму, но как термины применяются для любых признаков, например, связанных с цветом. Ниже показаны две морфы – соответственно с желтыми и фиолетовыми цветками - высокогорной фиалки алтайской, встречающиеся в природе примерно с равной частотой.


А в природных популяциях ириса сизого (Iris glaucescens) встречаются три цветовые морфы:

Поскольку все мы учились в школе, мы можем заподозрить, что белый и фиолетовый ирис – гомозиготы по двум аллелям некоего гена, а сиреневый – гетерозигота по этим аллелям. Но такой информации у нас (у меня в частности) пока нет, и мы пока что должны начать с констатации трех цветовых морф.

Мы упоминали о трех четких классах цвета гороховых цветков – белый, пурпурный и розовый. Но вот на улице Золотодолинской растут яблони с пурпурными лепестками. А бывают яблони с розовыми, со слегка розоватыми и белыми лепестками. В случае гвоздик, продаваемых в ларьках, нам кажется, признак цвета цветков качественный– там бывают красные, белые, розовые и белые с красной оторочкой лепестков. А у селекционеров-цветоводов наверняка есть такое разнообразие гвоздик, что признак превращается в количественный. Можно взять спектрофотометр, экстрагировать пигмент антоциан из стандартной навески лепестков и измерить интенсивность пурпурной антоциановой окраски, выразив ее цифрой. И тогда получаем количественный признак – это такой признак, который может быть выражен вещественным числом. Один и тот же признак в разных ситуациях может выступать как количественный и качественный. Для практически любого качественного признака можно найти способ его измерения и тем самым рассмотреть его как количественный. Наоборот, большинство количественных признаков не могут рассматриваться как качественные, так как значения измеряемого параметра редко группируются в четко различимые классы.

Рост человека (если исключить явную карликовость) – типичный количественный признак. Сколько бывает вариантов роста нормального человека? Правильно, сказать нельзя – это положительное вещественное число, а количество «вариантов» зависит от того, с какой точностью мы мерим и какие существуют физические пределы этой величины. Рост множества людей можно охарактеризовать его средним значением. Но нам понадобится также какие-то характеристики его изменчивости. Для этого нам придется изучать частотное распределение количественного признака. Еще один хрестоматийный пример: если взять много людей, измерить их рост с точностью до сантиметра и построить по росту так, чтобы люди с одинаковым ростом стояли в одну колонну, то получим следующую картину: длина колонн образует некую колоколообразную кривую. При достаточной дробности измерения роста и количестве людей, она неплохо воспроизведет хорошо известное в теории вероятностей – нормальное или Гауссово распределение.



Оно однозначно определяется двумя своими моментамисредним, или математическим ожиданием) и дисперсией– усредненным квадратом отклонений индивидуальных значений от среднего. Квадратный корень из этой величины дает среднеквадратическое отклонение, его размерность совпадает с размерностью измеряемой величины и оно может служить мерой разброса признака. В интервале значений величины от среднего минус среднеквадратическое отклонение до среднего плюс среднеквадратическое отклонение находится около 70 % всех нормально распределенных объектов, сколько бы мы их ни измерили. Если этот интервал вокруг среднего расширить вдвое, то там будет около 90 %, если втрое, то около 99 % объектов.

Центральная предельная теорема математической статистики утверждает, что распределение суммы большого количества независимых случайных величин приближается к нормальному. А практически любой количественный признак формируется под действием большого количества разнонаправленных и разных по силе факторов (для размера тела это особенно верно). Именно поэтому большая часть количественных признаков живых организмов подчиняется нормальному распределению.

Однако и это утверждение верно лишь в первом приближении. Как известно, чтобы оценить приемлемость модели, нужно обязательно обратить внимание на граничные условия. Нормальное распределение симметрично и задано на всем множестве вещественных чисел, от – до +, хотя плотность вероятности спадает при удалении от среднего достаточно быстро. Вернемся в качестве примера к признаку «рост человека». Действительно, у нас нет жесткого верхнего предела на рост человека, и какого бы рекордсмена мы не нашли, никогда нет гарантии, что рано или поздно не найдется более высокий субъект. А вот нижний предел есть даже теоретически – ведь рост человека по определению не может быть меньше нуля. Значит, граничные условия не пропускают для роста человека Гауссову модель. Более того, если мы возьмем много людей, то обнаружим, что распределение их по росту слегка ассиметрично и скошено вправо – физический нижний предел в нуле дает о себе знать! Какую модель мы можем предложить взамен Гауссовой как более адекватную для количественных признаков биологических объектов?

Подумаем вот о чем. Признаки формируются в ходе индивидуального развития организма, которое по сути есть очень сложная химическая реакция, происходящая под управлением генов, которые в определенные моменты обеспечивают определенные концентрации определенных веществ. Эти концентрации выступают как сомножители в уравнениях скоростей составляющих индивидуальное развитие элементарных реакций (например, уравнения Михаэлиса), а значения признаков напрямую зависят от каких-то из этих (или даже всех) скоростей. Поэтому индивидуальные вклады отдельных генов в количественный признак обычно не складываются, а перемножаются, то есть каждый ген увеличивает или уменьшает значение признака во сколько-то раз. Произведение же многих независимых случайных величин стремится к логарфмически нормальному, или логнормальному распределению. В результате, реальные распределения количественных признаков организмов являются не нормальными, а логнормальными. Они действительно очень похожи, но все же несколько асимметричны – более пологие вправо.



Как известно, произведение легко превратить в сумму, прологарифмировав величину. Поэтому если строить распределение не результатов реальных измерений признаков организмов, а их логарифмов, то распределение как правило получается идеально нормальным. Заодно получается, что при многомерном анализе таких линейно трансформированных признаков линейные комбинации учтут и отношения между реально измеряемыми величинами. Вспомним критерий длинноногости – он органично войдет какую-то главную компоненту. Тем самым снимаются затруднения, связанные с применением статистических методов для отношений случайных величин.

Тем не менее, часто количественные признаки распределены существенно иначе. Бывают резко асимметричные распределения, бывают бимодальные распределения. Причины этого могут быть в том числе и наследуемые. К примеру, приходите вы в теплицу Института цитологии и генетики с линейкой и измеряете длину растений гороха. Что вы получаете? Возможно, вы получите два отстоящих друг от друга колокола. Потому что есть горох очень короткий (карликовый), а есть нормальный. Различить эти два случая обычно не представляет труда. Значит, мы имеем качественный признак – растения можно разбить на два отчетливых класса. А в пределах каждого класса тот же самый рост будет выступать как количественный признак.

На самом деле карликовый горох обладает замедленным ростом, но эти растения могут и перерастать своих «нормальных», но тщедушных собратьев. В таком случае мы будем иметь два слившихся колокола. И если возьмем растение посередине между горбами распределения, то затруднимся классифицировать его по росту. Но если мы обратим внимание на расстояние между узлами (точками на стебле, где от него отходят сложные листья), то все сразу станет ясно: у карликов оно маленькое (меньше длины черешка), а у нормы – большое (больше длины черешка). Просто некоторые карлики выросли так, что у них получилось гораздо больше узлов, чем у нормы.


Нормальный (А и В) и карликовый (С) горох


Именно этот признак –относительная длина междоузлия - является здесь альтернативным признаком, в то время как рост растения очень редко ведет себя как настоящий альтернативный признак.

Можно выделить еще два класса признаков, которые в конечном счете сводятся к количественным.

Возьмем такой признак, как количество отростков на рогах марала. Самые мелкие рога неветвистые. В максимальном случае имеем на оба рога 10 отростков. Мы не испытаем затруднений в отнесении того или иного рога к классу с определенным числом отростков и на этом основании можем подумать, что это качественный признак. Но качество здесь соотносится с целым числом, и число классов, как и ряд целых чисел, неограниченно (никто не может поручиться, что нам рано или поздно не попадется марал с 11 или более отростками). Такие признаки называются счетными; еще они называются меристическими, что может сбить с толку, поскольку нам здесь нужно не измерять, а именно считать. На самом деле, здесь имеется простая закономерность - чем больше рог, тем больше на нем отростков; просто для того чтобы добавился еще один отросток, зачатку рога нужно набрать некоторый критический прирост массы. Так что счетное количество отростков – просто мера величины рога. В случае числа ячеек на крыле стрекозы это становится еще более очевидно. Такую же меру мы получаем при измерении, когда останавливаемся на какой-то его точности. Представьте, если мы считаем не отростки рогов оленя, а волоски на его молодых рогах. Фактически имеем различные меры размера рога, но с разным шагом (округлением).

Оперируют со счетными признаками при помощи тех же подходов, что и с количественными, с некоторыми особенностями математической обработки. И было бы ошибкой применять к ним те же подходы, которые применяются для альтернативных признаков. Например, одна московская группа ученых изучала количество ячеек в определенных зонах крыльев стрекоз. Они подсчитывали среднее количество ячеек, определяли среднее и среднеквадратическое отклонения и, к примеру, находили, что на двух разных водоемах эти средние статистически значимо различались. Они сделали вывод, что популяции на двух озерах имеют генетическую специфику – на том основании, что альтернативные признаки непременно должны определяться наследственными факторами, одним или немногими. Но оперировали то они со своим признаком как с количественным! Скорее всего на одном из водоемов стрекозы развивались в менее благоприятных условиях и имели меньшую площадь крыльев, на которой умещалось меньше ячеек, размер которых довольно стандартизован в онтогенезе.

Наконец, часто выделяют еще один большой класс признаков – ранговые признаки. Речь идет о тех случаях, когда мы можем ранжировать объекты по принципу «больше» / «меньше» («лучше» / «хуже»), но не имеем прямой возможности выразить это качество превосходства одних над другими численно. Ситуации, в которых возникают ранговые признаки – довольно многообразны. На плацу мы можем легко построить солдат по росту, не измеряя их роста. На том же плацу по погонам мы легко распознаем воинские звания, заведомо зная в каком порядке они ранжированы относительно друг друга. В некоторых случаях мы вынуждены субъективно оценивать некие сложные интегральные параметры, например, «силу» индивидуальных растений, классифицируя их на «сильных», «средних» и «слабых». Заметим, однако, что коль скоро мы имеем ранги, мы уже имеем грубое численное измерение признака, пусть очень приблизительное или субъективное. Так, ранги, будучи порядковыми номерами, сами по себе суть целые числа. И с ними уже можно оперировать как со счетными признаками. При всей условности такого «измерения», разработаны математические методы, позволяющие получать на их основе весьма надежные выводы.

Более того, и несомненные качественные признаки можно весьма приблизительно обрабатывать как количественные. Допустим, если у нас имеется четыре цветовых морфы, то мы можем рассматривать их не как один качественный признак, а как четыре количественных признака, каждый из которых может принимать два значения – 0 (особь не принадлежит к данной морфе) и 1 (особь принадлежит к данной морфе). Опыт показывает, что и такие подобные «искусственные количественные признаки» можно с успехом обрабатывать.

Итак, один и тот же признак может быть и количественным, и качественным. Любое различаемое нами качество всегда можно как-то измерить (даже принадлежность к мужскому и женскому полу можно измерить как соотношение определенных гормонов). Выбор как оперировать с признаком – как со значением численного параметра или как с индикатором принадлежности к классу - диктуется особенностями конкретной задачи. В случае бимодального распределения бывает полезно разбить все особи на два класса хотя бы в первом приближении, даже если два горба распределения сливаются и мы не можем однозначно классифицировать особей, попадающих между ними, кроме как формального введя пороговое значение.

И качественные, и количественные признаки могут в той или иной мере наследоваться, а стало быть, попадают в поле зрения генетики. Для анализа количественных и качественных признаков генетика пользуется разными моделями. Наследование качественных признаков (именно с ними и работал Мендель) описывается в терминах комбинаторики и теории вероятности и описывается проще и точнее - им мы и будем в основном заниматься. Наследование количественных признаков описывается в терминах математической статистики и основано в основном на анализе корреляций и разложении на компоненты дисперсии. Как сказано выше, наследование качественных признаков также можно обрабатывать как наследование количественных, что в ряде случаях оказывается весьма плодотворным подходом. Мы еще ознакомится кратко с началами генетики количественных признаков. А пока - немного терминологии.

Два не менее широких понятия, чем признак, без которых, однако, не обойтись, – генотип и фенотип. Сами эти термины, как и термин «ген», введены в 1909 г. датским генетиком Вильгельмом Людвигом Иогансеном. Фенотип – это все то, что касается признаков рассматриваемого организма, генотип – это все то, что касается его генов. Понятно, что признаков может быть бесконечное количество, а генов существует десятки тысяч. Причем подавляющую часть признаков никто не регистрирует, а подавляющую часть генов никто не знает. Но фенотип и генотип – это рабочие понятия, содержание которых в каждом конкретном случае диктуется генетическим экспериментом. Генетический эксперимент состоит обычно в том, что кого-то с кем-то скрещивают, часто на протяжении многих поколений, и следят за признаками потомства, которое может в соответствии с этими признаками отбираться, скрещиваться и т. д. Или изымают из природы выборку особей, регистрируют их признаки, выясняют, какими вариантами представлены некоторые гены, наблюдают за динамикой их частот. В каждом случае мы следим за строго определенными признаками и генами, часто немногими. И когда мы говорим о фенотипе, мы имеем в виду значения или состояния именно этих признаков, а когда о генотипе, то набор именно этих генов. Зависимость первого от второго есть, но, как мы увидим, не самая прямая. В выяснении этой зависимости во многом и состоит генетика. И только в случае если в качестве признака фигурирует сама последовательность ДНК, фенотип совпадает с генотипом.

Лишь в последнее время появилась возможность проводить высокотехнологичные эксперименты по слежению за всеми известными генами – допустим, анализировать всю матричную РНК или всех белков в той или ткани. Соответствующие направления получили названия, соответственно, «протеомика» и «транскриптомика», а совокупность всех имеющихся в том или ином объекте белков или матричной РНК, соответственно – протеом и транскриптом. (В последнее время начался сущий парад всевозможных «-омов»: «гликом», «кариом»)


1.3. Понятия «ген», «локус», «аллель», «ортолог», «паралог», «мутация».
Исходя из нашего предварительного утверждения, что в генетике очень много от математики, мы должны были бы ожидать в ней терминологической строгости. К сожалению, это еще и эмпирическая наука, существующая на огромном и разнородном экспериментальном материале, делаемая множеством ученых разной специализации (и разной образованности!), и это привело к существованию и в генетике различных терминологических «диалектов», в том числе и в вещах очень важных. Перейдем к понятию, которое может показаться для генетики центральным, но которое оказалось в реальности слишком для этого расплывчатым. Скажите, что такое ген? На самом деле это понятие, которому сильно не повезло, так что сейчас оно имеет несколько значений. В классической генетике ген – это наследуемый фактор, влияющий на признаки организма. Некогда он рассматривался как далее неделимая единица наследственности, однако уже в конце 20х годов в опытах Дубинина и Серебровского было показано, что ген – все еще как умозрительный фактор – линеен и подразделим на части (о чем ниже). После открытия структуры ДНК очень быстро выяснилось, что многие классические гены представляют собой участки ДНК, кодирующие некий белок, к примеру фермент, который и определяет наследуемый признак. Это было огромным прорывом в науке, и на этой волне первоначально показалось, что
следующая страница >>



Умереть легко, когда ты совершенно здоров. Прекрасным весенним утром, в саду, в приятном и бодром расположении духа, — как просто было бы лечь на траву и отойти в мир иной! Марк Резерфорд
ещё >>