Наследование, сцепленное с полом

 

Х-хромосома несет множество генов, определяющих многие признаки организма. Но так как у женских особей Х-хромосом две, а у мужских - только одна, то проявление таких признаков различается у мужчин и женщин.

Так, дальтонизм - неспособность различать красный и зеленый цвета - обусловлен рецессивным геном, лежащим в Х-хромосоме. Y-хромосома гомологичного гена не имеет. Поэтому мужчины-дальтоники встречаются гораздо чаще, чем женщины. Ведь для проявления дальтонизма женщина должна быть гомозиготной по мутантному гену - нести две его копии, тогда как мужчине достаточно одной копии. Женщина, гетерозиготная по гену дальтонизма, несмотря на выключение одной из Х-хромосом дальтоником не является, потому что у нее все равно существуют клоны клеток, в которых работает нормальный аллель данного гена.

Известное наследственное заболевание человека - гемофилия - также обусловлено рецессивным мутантным аллелем гена, находящегося в Х-хромосоме. Больные гемофилией чаще всего погибают в детском возрасте, поэтому гемофилики-мужчины редко оставляют потомство, и болезнь передается в основном гетерозиготными женщинами-носителями, которые сами гемофилией не болеют.

 

Наследственность, связанная с полом

 

Некоторые признаки определяются генами, лежащими в аутосомах, но их проявление зависит от пола. Например, ген облысения у человека расположен в аутосоме, но является рецессивным в женском организме и доминантным в мужском. Поэтому для его проявления мужчине достаточно одной мутантной копии этого гена, женщине же для проявления облысения необходимо, чтобы оба аллеля данного гена были мутантными. Поэтому лысеющие женщины встречаются несравненно реже мужчин.

 

Цитоплазматическая наследственность

 

Цитоплазматическая наследственность бывает двух видов:

1). Действие генов матери через цитоплазму яйцеклетки, или материнский эффект. Цитоплазма яйцеклетки содержит массу генных продуктов - белков, наработанных ядерным геномом матери. Спермий цитоплазмы практически не содержит, и поэтому отцовский вклад в цитоплазму зиготы ничтожен. Если продукты ядерных генов матери, пришедшие с цитоплазмой яйцеклетки, функционируют на первых стадиях развития зиготы, то, таким образом, они и произведшие их гены могут определить дальнейший путь развития организма.

Иллюстрацией материнского эффекта может служить наследование завитка раковины у пресноводной улитки - прудовика. У прудовика бывают две наследственно обусловленные формы раковины: правовращающаяся и левовращающаяся. Но направление вращения завитков определяется не генами самой улитки, а генами матери. Находящиеся в цитоплазме яйцеклетки уже наработанные продукты генов матери определяют направление расположения митотических веретен во втором делении зиготы, что и определяет дальнейшее направление вращения раковины.

2). Пластидная и митохондриальная наследственность. Далеко не все гены организма находятся в клеточном ядре. ДНК содержат также и некоторые клеточные органеллы: митохондрии, центриоли, пластиды у растений. В геноме митихондрий содержится около двух десятков генов. Геном пластид приблизительно в 10 раз больше и содержит до 200 генов, имеющих отношение прежде всего к процессу фотосинтеза. Но все же гораздо большая часть генов фотосинтеза - несколько сотен - находится в составе ядерного генома растения.

Клеточные органеллы - пластиды и митохондрии передаются потомкам по материнской линии - с цитоплазмой яйцеклетки; со стороны отца органеллы либо не передаются вовсе, либо передаются в очень малок количестве. Поэтому наследование пластидных и митохондриальных генов происходит от матери к потомкам, цитоплазматические гены отца не играют никакой роли.

У растений известны очень многие случаи пестролистности, когда на листьях присутствуют зеленые и белые сектора, определяемые пластидными генами и передающиеся строго по материнской линии. Такие растения являются генетическими химерами: белые и зеленые участки листьев содержат разные хлоропластные геномы.

У дрожжей в культуре довольно часто возникают карликовые медленнорастущие колонии, обусловленные мутацией в митохондриальном гене, синтезирующим один из дыхательных ферментов. При скрещивании таких карликовых дрожжей с нормальными во всех последующих поколениях вырастают нормальные дрожжи. Это вызвано тем, что мутантные митохондрии очень медленно размножаются внутри клетки и вытесняются нормальными митохондриями.

 

Мутации и их виды

Мутации - это внезапно возникающие стойкие изменения генетического аппарата, включающие как переход генов из одного аллельного состояния в другое, так и различные изменения числа и строения хромосом. Мутации, возникающие в генеративных клетках - генеративные мутации - передаются по наследству, а мутации, возникающие в соматических клетках организма - соматические мутации - не наследуются и часто приводят к генетической мозаичности - химеризму.

Типы мутаций. Все мутации принято разделять на хромосомные и генные.

Хромосомные мутации представлены тремя основными типами: изменение числа наборов хромосом - полиплоидия, изменение числа отдельных хромосом - анеуплоидия, и хромосомные перестройки.

Полиплоидия. Полиплоидизация еще иногда называется геномными мутациями. При этом в клетке происходит изменение числа хромосомных наборов. Любой вид живых организмов характеризуется определенным основным набором хромосом. Этот основной набор называется гаплоидным - 1 n. Подавляющее большинство высших организмов - животных и растений - диплоидны, и содержат 2 n хромосом, то есть два гаплоидных набора, каждая хромосома представлена в их геноме двумя гомологами, часто несущими разные аллели одних и тех же генов. При полиплоидизации происходит утроение, учетверение, упятерение и т.д. основного хромосомного набора, и возникают организмы с 3 n, 4 n, 5 n и т.д. хромосомами - триплоиды, тетраплоиды, пентаплоиды и т.д.

Полиплоидизация широко распространена у растений, а у животных - крайне редка. У растений полиплоидия является одним из распространенных механизмов видообразования. Фертильность полиплоидов, по сравнению с диплоидами понижена, особенно сильно понижается фертильность у так называемых несбалансированных полиплоидов, имеющих нечетное число хромосомных наборов. Это связано с нарушением правильного расхождения хромосом у полиплоидов в мейозе - вместо бивалентов у них формируются триваленты, квадриваленты и т.д. - по числу имеющихся гомологов, которые расходятся часто неправильно. Различают аутополиплоиды, у которых несколько раз повторен один и тот же набор хромосом, и аллополиплоиды, возникающие у межвидовых гибридов и содержащие несколько повторений двух разных (а иногда и больше) наборов хромосом. К аллополиплоидам относятся амфидиплоиды - известная Рафанобрассика, полиплоидизированный гибрид редьки и капусты. У аллополиплоидов гомология у хромосом из разных наборов низкая, они поэтому правильно расходятся в мейозе, и фертильность у них поэтому нормальная. Аллополиплоидия ярко выражена у пшеницы: Пшеница-однозернянка имеет 2 n хромосом, мягкая пшеница - амфидиплоид с 4 n хромосом, а твердая пшеница является амфитриплоидом с 6 n хромосом. Эти виды пшеницы возникли спонтанно в природе в результате межвидовой гибридизации с последующей полиплоидизацией однозернянки с другими дикорастущими злаками.

Анеуплоидия - изменение числа отдельных хромосом. Вместо двух гомологов из-за нарушения расхождения хромосом в мейозе может образоваться 3 - это трисомия: 2 n + 1. Так же может образоваться моносомия: 2 n - 1, когда вместо двух гомологов присутствует только один.

Анеуплоидия широко встречается и у растений, и у животных, но всегда связана с множественными аномалиями и резким снижением фертильности. У человека известно несколько типов трисомии. Изредка рождаются девочки с тремя Х-хромосомами - ХХХ, мало отличимые от нормальных. Моносомия по Х-хромосоме - Х0 -приводит к значительно более тяжким последствиям - это синдром Шерешевского - Тернера. Также широко распространена у человека трисомия по 21-й хромосоме, вызывающая комплекс тяжелых врожденных аномалий - это синдром Дауна. Также изредка встречается трисомия по 8-й хромосоме. Трисомики по другим хромосомам у человека нежизнеспособны и погибают на эмбриональных стадиях.

Хромосомные перестройки. При мутациях этого типа число хромосом не изменяется, но одна или несколько хромосом претерпевают перестройку, вызванную произошедшими в них разрывами и последующими новыми воссоединениями образовавшихся фрагментов в новом порядке. К числу хромосомных перестроек относят делеции, дупликации, инверсии и транслокации.

Делеции - это потери фрагмента хромосомы. Вырезанный фрагмент не содержит центромеры и утрачивается. Обширные делеции, как правило, летальны. Небольшие делеции, не содержащие жизненно необходимых генов, тем не менее, могут приводить к серьезным фенотипическим нарушениям. У человека известна делеция небольшого участка 21-й хромосомы, приводящая к тяжелому наследственному заболеванию крови - хроническому миелозу.

Дупликации - это удвоение какого-либо участка хромосомы. Фенотипический эффект дупликаций слабее, чем делеций, и они реже бывают летальными. Дупликации, несомненно, играли большую роль в эволюции, поставляя сырой материал для появление в геноме новых генов.

Инверсии - это переворот на 180 градусов какого либо участка в хромосоме. При этом порядок расположения генов в данном участке становится обратным. Фенотипически инверсии, за редкими исключениями, никак не проявляются, но наличие инверсии запирает кроссинговер в данном участке хромосомы, и рекомбинация генов в нем не происходит. Кроме этого, инверсии частично нарушают расхождение гомологов в мейозе, что приводит к возникновению анеуплоидов.

Транслокации - это обмен участками между негомологичными хромосомами. В транслокациях принимают участие две или несколько негомологичных хромосом. Из-за неправильного поведения хромосом в мейозе транслокации в гетерозиготном состоянии приводят к падению фертильности. Одна транслокация снижает фертильность на 30%, две - на 50%, три - на 70%. В гомозиготном состоянии транслокация не нарушает мейоз и фенотипически никак не проявляется. Поэтому транслокации являются очень эффективным эволюционным механизмом создания репродуктивной изоляции между популяциями, необходимой для видообразования.

Генные мутации. Генные мутации затрагивают только один ген. Они бывают нескольких типов. Точечные мутации - замена одного нуклеотида на другой, что часто приводит к точечной замене одной аминокислоты в белке на другую. Известный пример - серповидноклеточная анемия у человека - точечная замена в гемоглобине. Особый класс точечных мутаций - терминирующие, в результате которых возникает терминирующий кодон, и белок далее не синтезируется. Терминирующие мутации приводят к серьезным фенотипическим последствиям. Точечные мутации возникают чаще всего вследствие ошибок при репликации и репарации. Мутации со сдвигом рамки считывания - это микроделеция одного или двух нуклеотидов, в результате которой происходит сдвиг рамки считывания, и далее с данного гена синтезируется бессмысленный белок. Это также приводит к серьезным фенотипическим последствиям.

Часто мутации вызываются мобильными диспергированными элементами, которых много в любом геноме высших организмов. Это различные последовательности ДНК, в чем-то родственные вирусам, ограниченные по краям палиндромами, в результате чего они могут замыкаться в кольца и вырезаться из генома, а потом опять встраиваться в другое место, чаще всего - внутрь какого-нибудь гена. Мобильные элементы сильно активизируются и начинают буквально скакать по геному после дальнеродственных скрещиваний, вызывая в потомстве вспышки мутаций. Это явление получило название гибридного дисгенеза.

 

Генетика поведения

Генетика поведения, особенно человека, - очень слабо изученная область генетики, и наши знания здесь очень малы. Это обусловлено прежде всего тем, что поведенческие признаки у млекопитающих практически всегда полигенные, то есть на проявление каждого из них влияют десятки генов. Кроме того, здесь очень силен средовой фактор - влияние внешней среды, предыдущий опыт. В общем случае, генетические факторы определяют основу поведения млекопитающих на 50%, остальные 50% определяются средой и опытом. Генетические факторы создают только некую предрасположенность к тем или иным поведенческим реакциям, а среда вольна проявить их, или нет.

Некоторые генетически-обусловленные поведенческие реакции хорошо изучены у насекомых. У домашних пчел часто встречается заболевание, вызываемое бактерией Bacillus larvae - «пчелиная гнильца». Зараженные ей личинки погибают, но являются источником заражения других личинок. Пчелы обычно легко справляются с этой инфекцией - они распечатывают ячейки с зараженными личинками и уничтожают их. За такое поведение пчел ответственны всего лишь два гена.

У Drosophila существуют мутации, осложняющие самцам мух быть успешными в спаривании: это мутации vermilion и cinnabar. Обе мутации видоизменяют глазные пигменты, в результате чего у них возникает нарушение ориентации и прочие неприятности. Естественно, данный пример имеет лишь косвенное отношение к поведению. Гораздо более интересен следующий случай: хорошо известная у дрозофилы мутация yellow - желтое тело, вызывает также у самцов серьезные нарушения ритуала ухаживания - мутантные самцы очень слабо дрожат крыльями и не с той частотой, к которой наиболее восприимчива самка. Конечно, индекс выживания мутации yellow в природе резко снижается, и такие мутантные линии могут самоподдерживаться только в лабораторных условиях.

У млекопитающих известно очень мало генов, ответственных за поведение. Тем не менее, всего лишь один ген альбинизма у мышей, приводящий к появлению белой мыши, дает также сильный поведенческий эффект. Белые мыши гораздо более агрессивны, чем их серые дикие сородичи, и поэтому гораздо более успешны в спаривании.

Некоторые поведенческие признаки организмов практически однозначно определяются 1-3 генами. Для Дрозофилы это хемотаксис, геотаксис и фототаксис, а также чистка тела и локомоторная активность. У млекопитающих все гораздо сложнее, число генов, ответственных за поведенческий признак, увеличивается. Тем не менее, у тех же мышей такие признаки, как активность, быстрота бега, эмоциональная реактивность, определяются в основном чисто генетически.

Генетика поведения человека - это просто очень трудная область для исследований. В данном случае, мы можем только исследовать родословные отдельных наследственных заболеваний.

Тем не менее, у генетиков не возникает сомнений, что такие характеристики, как интеллект, темперамент, эмоциональность, даны нам с генами наших родителей. Эти признаки все полигенные, и исследовать их в ближайшее время не представляется возможным. Конечно, на них накладываются еще и мощные средовые эффекты, и однозначности здесь нет и не может быть.

Такие распространенные психические болезни человека, как шизофрения, маниакально-депрессивный психоз, паранойя, несомненно, имеют генетическую природу. Но генетический фактор здесь не более, чем предрасположенность. Признак может проявиться, а может - и нет. Все здесь зависит от конкретных условий среды и личного, пережитого опыта.

 

Литература

 

1. Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания: Курс лекций. 4-е изд., стер. - СПб: Издательство «Лань», М.: ООО Издательство «Омега-Л», 2004. - 224с.

. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. 7-е изд, испр. и доп. - М.: Издательский Центр «Академия», 2006. - 608с.

. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов /Под ред В.Н. Лавриненко, В.П Ратникова. - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. - 317с.

. Свиридов В.В. Концепции современного естествознания: Учебное пособие.- 2-изд. - СПб.: Питер, 2005. - 349с.