Законы генетики

      3. ЗАКОН МОРГАНА

      Дальнейшие  исследования генетиков показали, что  законы Менделя о независимом  наследовании признаков при дигибридном  скрещивании применимы лишь тогда, когда разные гены располагаются  в разных парах гомологичных хромосом. В том случае, если два гена находятся  в одной паре гомологичных хромосом, расщепление в потомстве гибридов будет другим . 

      У любого организма генов значительно  больше, чем хромосом. Таким образом у человека имеется около миллиона генов, а хромосом всего 23 пары. Следовательно, в одной хромосоме размещается в среднем несколько тысяч генов. Гены, расположенные в одной хромосоме, называют сцепленными. Все гены этой хромосомы образуют группу сцепления, которая при мейозе обычно попадает в одну гамету.

      Значит, гены, входящие в одну группу сцепления, не подчиняются закону независимого наследования, а при дигибридном  скрещивании вместо ожидаемого расщепления  по фенотипу в соотношении 9:3:3:1 дают соотношение 3:1, как при моногибридном  скрещивании .

      Закономерности  сцепленного наследования были установлены  американским биологом Томасом Морганом (1866-1945). В качестве объекта он использовал  плодовую муху дрозофилу. У дрозофилы  окраску тела и длину крыльев  определяют следующие пары аллелей: А - серое тело, а - черное тело, В - длинные  крылья, b - зачаточные крылья. Гены, отвечающие за окраску тела и длину крыльев, находятся в одной паре гомологичных хромосом и наследуются сцепленно.

      При скрещивании дрозофилы с серым  телом и длинными крыльями с дрозофилой, имеющей черное тело и зачаточные крылья, все гибриды первого поколения  имели серую окраску тела и  длинные крылья .

      При дальнейшем скрещивании между собой  гибридных мух первого поколения  в F₂ не произошло ожидаемого расщепления по фенотипу 9:3:3:1. Вместо этого в F₂ были получены мухи с родительскими фенотипами в соотношении примерно 3:1. Появление в F₂ двух фенотипов вместо четырех позволило сделать вывод, что гены окраски тела и длины крыльев дрозофил находятся в одной хромосоме. Так был установлен закон Т.Моргана: гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются совместно - сцепленно, то есть наследуются преимущественно вместе. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      4.ДОСТИЖЕНИЯ  И ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ГЕНЕТИКИ

      На  основе генетических исследований возникли новые области знания (молекулярная биология, молекулярная генетика), соответствующие  биотехнологии (такие, как генная инженерия) и методы (например, полимеразная цепная реакция), позволяющие выделять и  синтезировать нуклеотидные последовательности, встраивать их в геном, получать гибридные  ДНК со свойствами, не существовавшими  в природе. Получены многие препараты, без которых уже немыслима  медицина. Разработаны принципы выведения  трансгенных растений и животных, обладающих признаками разных видов. Стало  возможным характеризовать особей по многим полиморфным ДНК-маркерам: микросателлитам, нуклеотидным последовательностям  и др. Большинство молекулярно-биологических  методов не требуют гибридологического анализа. Однако при исследовании признаков, анализе маркеров и картировании генов этот классический метод генетики все еще необходим.

      Как и любая другая наука, генетика была и остается оружием недобросовестных ученых и политиков. Такая ее ветвь, как евгеника, согласно которой развитие человека полностью определяется его  генотипом, послужила основой для  создания в 1930–1960-е годы расовых  теорий и программ стерилизации. Напротив, отрицание роли генов и принятие идеи о доминирующей роли среды привело  к прекращению генетических исследований в СССР с конца 1940-х до середины 1960-х годов. Сейчас возникают экологические и этические проблемы в связи с работами по созданию «химер» – трансгенных растений и животных, «копированию» животных путем пересадки клеточного ядра в оплодотворенную яйцеклетку, генетической «паспортизации» людей и т.п. В ведущих державах мира принимаются законы, ставящие целью предотвратить нежелательные последствия таких работ.

      Современная генетика обеспечила новые возможности  для исследования деятельности организма: с помощью индуцированных мутаций  можно выключать и включать почти  любые физиологические процессы, прерывать биосинтез белков в  клетке, изменять морфогенез, останавливать  развитие на определенной стадии. Мы теперь можем глубже исследовать популяционные  и эволюционные процессы, изучать  наследственные болезни, проблему раковых  заболеваний и многое другое. В  последние годы бурное развитие молекулярно-биологических  подходов и методов позволило  генетикам не только расшифровать геномы многих организмов, но и конструировать живые существа с заданными свойствами. Таким образом, генетика открывает  пути моделирования биологических  процессов и способствует тому, что  биология после длительного периода  дробления на отдельные дисциплины вступает в эпоху объединения  и синтеза знаний.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      4.1.ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

      Генная  инженерия, или технология рекомбинантных ДНК, изменение с помощью биохимических и генетических методик хромосомного материала – основного наследственного вещества клеток. Хромосомный материал состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Биологи изолируют те или иные участки ДНК, соединяют их в новых комбинациях и переносят из одной клетки в другую. В результате удается осуществить такие изменения генома, которые естественным путем вряд ли могли бы возникнуть.

      Методом генной инженерии получен уже  ряд препаратов, в том числе  инсулин человека и противовирусный  препарат интерферон. И хотя эта  технология еще только разрабатывается, она сулит достижение огромных успехов  и в медицине, и в сельском хозяйстве. В медицине, например, это весьма перспективный путь создания и производства вакцин. В сельском хозяйстве с  помощью рекомбинантной ДНК могут  быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомым-вредителям и гербицидам.

      Большая часть работ по переносу участков ДНК, или генов, проводилась до последнего времени на бактериях. У бактерий генетическая информация заключена  в одной большой молекуле ДНК  – хромосоме бактерии. Поскольку  бактерии размножаются бесполым путем, эта генетическая информация на протяжении многих поколений остается в значительной степени неизменной. В бактериальной клетке имеются, помимо главной ее хромосомы, еще и небольшие кольцевые сегменты ДНК. Эти молекулы ДНК, т.н. плазмиды, часто несут в себе гены, ответственные за устойчивость к антибиотикам.

      «Плазмиды можно извлечь из одной клетки и перенести в другую. Такие работы проводятся, например, на Esсherichia coli (кишечной палочке), безвредной бактерии, обитающей в желудочно-кишечном тракте человека. Некоторые из клеток E. coli содержат плазмиду с генами устойчивости к антибиотику тетрациклину»[3]. Такие плазмиды – их называют факторами устойчивости – легко отделить от главной хромосомной ДНК. Неустойчивые к тетрациклину (разрушаемые им) бактерии можно заставить включить в себя эти плазмиды, подвергнув клетки соответствующей химической обработке, которая сделает оболочку проницаемой для чужих плазмид. Клетки, получившие таким способом фактор устойчивости, выживают на культуральной среде, содержащей тетрациклин, тогда как неустойчивые клетки погибают. Из каждой клетки – в результате многократных делений – возникает клон, т.е. собрание точных копий одной-единственной клетки, полученных путем бесполого размножения. Плазмида воспроизводится в каждой клетке клона, и ее воспроизведение называют молекулярным клонированием.

      Плазмиды  можно разрезать, фрагменты сращивать  друг с другом, а затем такие  комбинированные плазмиды вводить  в клетки. Можно соединять фрагменты  ДНК одного и того же вида или  же разных видов.

      Поскольку плазмидная ДНК представляет собой  замкнутую кольцевую молекулу, кольцо нужно сперва разорвать таким  образом, чтобы свободные концы  были в химическом отношении реакционноспособными, пригодными для последующего соединения. Достичь этого удается либо простым  механическим путем (например, сильным  встряхиванием), либо с помощью различных  ферментов, называемых нуклеазами (рестриктазами). Затем фрагменты ДНК соединяют с помощью лигаз – ферментов, исправляющих повреждения в ДНК и сшивающих концы ее разорванных нитей. Именно таким путем плазмиды из штамма, устойчивого к тетрациклину, и плазмиды из штамма, устойчивого к другому антибиотику, каномицину, можно соединить и получить штамм, устойчивый к обоим антибиотикам.

      Плазмиды  другого вида бактерий, например Staphylococcus aureus (золотистого стафилококка), сами по себе не способны размножаться в клетках E. coli. Однако в них могут размножаться гибридные плазмиды, составленные искусственным путем из куска плазмиды S. aureus и фрагмента плазмиды E. coli. Был проведен эксперимент, в котором соединили плазмиды S. aureus, устойчивого к пенициллину, и плазмиды штамма E. coli, устойчивого к тетрациклину. Когда затем гибридные плазмиды были введены в клетки E. coli, полученный штамм оказался устойчивым и к пенициллину, и к тетрациклину. Этот эксперимент, в котором был осуществлен перенос генетической информации между неродственными организмами, позволил предположить, что в клетки бактерии можно вводить молекулы ДНК и высших организмов и что они будут в этих клетках реплицироваться (копироваться).

      Из  генов животных первыми были введены  в бактерию гены шпорцевой лягушки  Xenopus laevis. Эти гены хорошо изучены и легко поддаются идентификации. Их ввели в клетки штамма E. coli, устойчивого к тетрациклину, и они здесь реплицировались. У полученных клонов состав ДНК соединял в себе характеристики X. laevis и E. coli.

      В настоящее время научились уже  переносить гены от одного животного  к другому и от животного к  растениям. Получены «трансгенные»  мыши, свиньи, овцы, коровы и рыбы. ДНК  можно прямо инъецировать в оплодотворенное  яйцо вида-реципиента, или можно  использовать в качестве переносчика  вирус, который, проникнув в клетку, внесет с собой и нужный ген. Третий метод связан с использованием неспециализированных стволовых (т.е. родоначальных) клеток эмбриона. Гены вводят в стволовые  клетки путем инъекции или с помощью вируса, и полученные в результате трансгенные клетки инъецируют другому зародышу, который включает эти чужие клетки в свои ткани. Гены человека вводили и в растения, например в табак, в надежде получить таким способом большие количества нужных белков, в частности антител и ферментов. В этих экспериментах перенос генов оказался довольно простым делом. Была придумана специальная «генная пушка», выстреливающая ДНК прямо в листья растений.

      Практическое применение. Теперь умеют уже синтезировать гены, и с помощью таких синтезированных генов, введенных в бактерии, получают ряд веществ, в частности гормоны и интерферон. Их производство составило важную отрасль биотехнологии.

      Интерферон  – белок, синтезируемый организмом в ответ на вирусную инфекцию, изучают  сейчас как возможное средство лечения  рака и СПИДа. Понадобились бы тысячи литров крови человека, чтобы получить такое количество интерферона, какое  дает всего один литр бактериальной  культуры. Ясно, что выигрыш от массового  производства этого вещества очень  велик. Очень важную роль играет также  получаемый на основе микробиологического  синтеза инсулин, необходимый для  лечения диабета. Методами генной инженерии  удалось создать и ряд вакцин, которые испытываются сейчас для  проверки их эффективности против вызывающего  СПИД вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). С помощью рекомбинантной ДНК  получают в достаточных количествах  и человеческий гормон роста, единственное средство лечения редкой детской  болезни – гипофизарной карликовости.

      Еще одно перспективное направление  в медицине, связанное с рекомбинантной ДНК, – генная терапия. В этих работах, которые пока еще не вышли из экспериментальной стадии, в организм для борьбы с опухолью вводится сконструированная по методу генной инженерии копия гена, кодирующего мощный противоопухолевый фермент. Генную терапию начали применять также для борьбы с наследственными нарушениями в иммунной системе.

      В сельском хозяйстве удалось генетически  изменить десятки продовольственных  и кормовых культур. В животноводстве использование гормона роста, полученного  биотехнологическим путем, позволило  повысить удои молока; с помощью  генетически измененного вируса создана вакцина против герпеса  у свиней.

      Общественное мнение. Несмотря на явную пользу от генетических исследований и экспериментов, само понятие «генная инженерия» породило различные подозрения и страхи, стало предметом озабоченности и даже политических споров. Многие опасаются, например, что какой-нибудь вирус, вызывающий рак у человека, будет введен в бактерию, обычно живущую в теле или на коже человека, и тогда эта бактерия будет вызывать рак. Возможно также, что плазмиду, несущую ген устойчивости к лекарственным препаратам, введут в пневмококк, в результате чего пневмококк станет устойчивым к антибиотикам и пневмония не будет поддаваться лечению. Такого рода опасности, несомненно, существуют.