Мутационная теория и становление генетики

     2.2. Хромосомная теория  наследственности  Т. Моргана. Понятие  о гене 

     В 1900 году независимо друг от друга трое ботаников — К. Корренс (Германия), Г. де Фриз (Голландия) и Э. Чермак (Австрия) обнаружили в своих опытах открытые ранее Менделем закономерности. Затем, натолкнувшись на его работу, они вновь опубликовали ее в 1901 году. Это способствовало глубокому интересу к количественным закономерностям наследственности. К тому времени цитологи обнаружили материальные структуры, роль и поведение которых могли быть однозначно связаны с менделевскими закономерностями. Подобную связь усмотрел в 1903 году В. Сэтгон. Получили обоснование воззрения Менделя о наследственных факторах, о наличии одинарного набора факторов в гаметах и двойного — в зиготах. Годом ранее Т. Бовери представил доказательства в пользу участия хромосом в процессах наследственной передачи. Он показал, например, что нормальное развитие морского ежа возможно лишь при наличии всех хромосом. Установлением того факта, что именно хромосомы несут наследственную информацию, Сэттон и Бовери положили начало новому направлению генетики — хромосомной теории наследственности [2; с. 447].

     Хромосомная теория наследственности, одно из обобщений в генетике, утверждающее, что наследственные факторы (гены) расположены в хромосомах, передача которых от родителей потомкам обеспечивает в поколениях преемственность свойств и признаков у особей одного вида. Основы хромосомной теории заложили работы немецкого биолога Т. Бовери (1902–1907) и американского цитолога У. Сеттона (1902–1903), которые независимо друг от друга предположили, что гены расположены в хромосомах, и связали закономерности Менделя, описывавшие поведение наследственных факторов, с поведением хромосом во время мейоза и при оплодотворении. Таким образом, были вскрыты соответствия в данных генетики и цитолог ии. Детальная разработка хромосомной теории была произведена Т. Морганом и его учениками (начиная с 1910 г.). Изучая наследование окраски глаз у плодовой мушки дрозофилы, Морган показал, что цвет глаз – признак, сцепленный с полом, и что по характеру его наследования ген, определяющий этот признак, должен находиться в половой хромосоме (Х-хромосоме). Так экспериментально была доказана связь конкретного гена с конкретной хромосомой. В дальнейшем было установлено, что многие признаки наследуются совместно – как один комплекс. Это означало, что контролирующие их гены образуют группы сцепления. Число таких групп сцепления оказалось равным гаплоидному числу хромосом, постоянному для каждого вида организмов.

    Затем Морган обнаружил, что сцепленное наследование признаков может нарушаться в  результате кроссинговера во время мейоза. На основании детального исследования сцепления генов и кроссинговера (на материале различных мутаций у дрозофилы) Морган и его сотрудники разработали методы определения взаимного положения различных генов на хромосомах и построения генетических карт хромосом. Хромосомная теория нашла подтверждение и дальнейшее развитие в открытии химической природы гена, выяснении строения хромосом и в других достижениях молекулярной генетики.

     В кратце, основные положения хромосомной теории наследственности таковы [6; с. 275].

1. Гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.
2. Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах.
3. Гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.
4. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, благодаря нему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. При этом сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами.
5. Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом — кариотипом.

     Итак, хромосомная теория строилась на следующих исходных абстракциях: хромосома состоит из генов; гены расположены на хромосоме в линейном порядке; ген — неделимая корпускула наследственности, “квант”; в мутациях ген изменяется как целое. Эта теория была первой обстоятельной попыткой теоретической конкретизации идей, заложенных в законахМенделя.  

     2.3 Мутации как нарушения  последовательности  чередования нуклеиновых  оснований в структуре  гена 

     Традиционно, под геном в молекулярной биологии понимают участок ДНК, кодирующий белковую молекулу. Ген - это ограниченный участок геномной ДНК (или РНК для некоторых вирусов) отвечающий за определенную и специфическую функцию. За время применения методов генной инженерии представления о гене существенно изменились, однако незыблемым остается основной принцип, заложенный в понятие гена как фрагмента нуклеиновой кислоты, в последовательности нуклеотидов которой закодирована информация о последовательности нуклеотидов в другой нуклеиновой кислоте или аминокислотной последовательности в белке. Изменение фенотипа организма однозначно связано с мутационными изменениями генотипа. Генотипические различия, как и считалось ранее, всегда передаются от родителей потомству, т.е. носят наследуемый характер [9; с. 382].

     Наследственная  информация всех живых организмов, за исключением некоторых вирусов, хранится в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты или ДНК.

     ДНК содержится в основном в ядрах  клеток и представляет собой полинуклеотидную цепь. Мономерами, то есть отдельными структурными элементами этой цепи являются мононуклеотиды — одновременно сложные эфиры и гликозиды моносахарида β,D-2-дезоксирибофуранозы (дезоксирибозы). В состав мононуклеотидов входят также остаток ортофосфорной кислоты и нуклеиновые основания ( иногда их называют азотистыми основаниями). Существует 5 основных типов нуклеиновых оснований : аденин, тимин, урацил, гуанин, цитозин. ДНК обычно состоит из двух нитей, закрученных одна вокруг другой, формируя спираль. Каждая цепь является линейным полимером состоящим из четырех типов мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид с точки зрения химика есть сложный эфир спиртовой OH-группы  рибозы или дезоксирибозы и ортофосфорной кислоты и N-гликозид нуклеинового основания и того же самого моносахарида. К пуриновым нуклеиновым основаниям относят аденин (А) и гуанин (G), к пиримидиновым - тимин (Т), урацил (У) и цитозин (С).

     Остов молекулы ДНК состоит из сахара и  фосфата соединенных последовательно.Нуклеиновые  кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых колеблется от 25 тысяч до 1 млн.  Именно нуклеиновые кислоты играют основную роль в передаче наследственной информации (генетических признаков) и управляют процессом биосинтеза белка [9; с. 388].

     ДНК имеет сложнейшую организацию или структуру: первичную, вторичную и т.д., которая завершается формированием настоящих хромосом вместе с особыми белками.

     Важной  характеристикой нуклеиновых кислот служит нуклеотидный состав, то есть набор  и соотношение нуклеотидных компонентов. В понятие первичной структуры ДНК входит не только состав, но и нуклеотидная последовательность — порядок чередования нуклеотидных звеньев в полинуклеотидной цепи. Именно при изменении порядка чередования остатков мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи происходят мутации. Под вторичной структурой ДНК понимают пространственную организацию полинуклеотидной цепи. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик, обобщив работы своих современников, описали вторичную структуру ДНК в виде двойной спирали. Она характерна для большинства молекул ДНК, хотя в настоящее время известны и другие пространственные формы ДНК. Согласно Уотсону и Крику, молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали. Между основаниями разных цепей возникают так называемые комплементарные взаимодействия с помощью водородных связей. Формирование двойной спирали происходит за счет водородных связей расположенных друг против друга оснований. Аденин взаимодействует с тимином образуя "слабую связь" (две водородных связи), а гуанин с цитозином образуя "сильную связь" (три водородных связи).

     Нуклеотидная  последовательность ДНК может меняться под действием ряда факторов: замены 1 пары нуклеиновых оснований на другую, образование водородных связей с нетипичными нуклеиновыми основаниями и т.д. Другой причиной возникновения мутаций служит действие химических факторов (например азотистой кислоты и ее солей) и разных видов излучений [9; с. 291].

     Мутацией  (от лат. mutatio - изменение, перемена) называют любое изменение в последовательности .ДНК Обычно ДНК точно копируется при процессе репликации и сохраняется неизменной между двумя последовательными репликациями. Но изредка происходят ошибки и последовательность ДНК меняется - эти ошибки называются мутациями. Мутация есть устойчивое наследуемое изменение ДНК, независимо от его функциональной значимости. Это определение подразумевает изменение в первичной нуклеотидной последовательности [2; с. 396].

     Мутации в соматических клетках, возможно, вызывают рак, процессы старения и другие, менее существенные изменения в организме. Мутации в половых клетках родителей наследуются детьми.

     Основные  положения мутационной теории Коржинского и Де Фриза можно свести к следующим пунктам :

1. Мутации появляются внезапно, как дискретные изменения признаков
2. Новые формы устойчивы
3. В отличие от наследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они являют собой качественные скачки изменений
4. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными
5. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследуемых особей
6. Сходные мутации могут возникать неоднократно

Исследования  де Фриза проводились на различных видах Oenothera, которые в ходе эксперимента не выщепляли мутации, а показывали сложную комбинативную изменчивость, поскольку эти формы являлись сложными гетерозиготами по транслокациям. Строгое доказательство возникновения мутаций принадлежит В. Иоганнсену на основе экспериментов на самоопыляющихся линиях фасоли и ячменя, были исследованы масссы семян, мутационное изменение этого признака и обнаружил В. Иоганнсен (1908-1913 гг). Примечательно то, что даже имея мутационных характер, масса семян распределялась относительно некоторых средних значений, тем самым ставя под сомнение третий пункт мутационной теории.

     С точки зрения эволюции мутации обеспечивают достаточное генетическое многообразие, чтобы позволить видам приспособиться к условиям окружающей среды путем  естественного отбора.

     Каждый  генетический локус характеризуется  определенным уровнем изменчивости, т. е. присутствием различных аллелей, или вариантов последовательностей ДНК, у разных индивидуумов. Применительно к гену, аллели разделяются на две группы - нормальные, или аллели дикого типа, при которых функция гена не нарушена, и мутантные, приводящие к нарушению работы гена. В любых популяциях и для любых генов аллели дикого типа являются преобладающими. Под мутацией понимают все изменения в последовательности ДНК, независимо от их локализации и влияния на жизнеспособность особи.

     Мутации могут захватывать участки ДНК разной длинны. Это может быть единственный нуклеотид, тогда мы будем говорить о точковой мутации, или же протяженный участок молекулы. Кроме того, учитывая характер изменений, мы можем говорить о заменах нуклеотидов, делециях и вставках (инсерциях) и о инверсиях.

     Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом. В зависимости от факторов, вызывающих мутации, их разделяют на  спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды. Спонтанные мутации в эукариотических клетках возникают с частотой 10^-9-10^-12 на нуклеотид за клеточную генерацию.

     Индуцированными называют мутации, возникающие в результате мутагенных воздействий в экспериментальных условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды. Среди важнейших мутагенных факторов, прежде всего, необходимо отметить химические мутагены - органические и неорганические вещества, вызывающие мутации, а также ионизирующее излучение.

     Между спонтанными и индуцированными мутациями нет существенных различий, Большинство спонтанных мутаций возникает в результате мутагенного воздействия, которое не регистрируется экспериментатором [10; с. 214].

     Мутации чрезвычайно разнообразны. Это могут быть крупномасштабные изменения структуры хромосом (затрагивающие миллионы нуклеотидов); к ним относят дупликации, делеции и транслокации фрагмента одной хромосомы на другую. Мутации могут затрагивать как весь геном (3 млрд пар нуклеотидов), например при триплоидии, когда появляется третий набор хромосом, так и всего один нуклеотид (делеция, вставка или замена нуклеотида). Мутации в одном или нескольких нуклеотидах называют точечными. Делеции или вставки одного или двух нуклеотидов в кодирующей области вызывают мутации со сдвигом рамки считывания, то есть они изменяют разбиение мРНК на кодоны так, что каждый следующий кодон этого гена считывается неправильно. Эти мутации меняют аминокислотную последовательность в белке и часто вызывают преждевременное окончание его синтеза, если сдвиг рамки считывания приводит к образованию терминирующего кодона.