Жгутики и движение бактерий 9 страница

Если каким-то образом собрать в чистую линию только полноценные аллели, можно получить «хорошую» чистую линию. Иногда такое получается случайно. Похоже, египетские фараоны, женившиеся строго на сестрах, представляли собой почти чистую линию, причем, судя по изображениям и мумиям, это были красивые и вполне полноценные люди.

Но фараоны Египта были крайне редким исключением. Практически во всех обществах существует запрет на близкородственные браки. И чем примитивнее общество, тем сложнее правила выбора невесты, так что зачастую молодые люди не вступают в брак просто потому, что в нужном подразделении нужного рода просто нет девушки подходящего возраста. Вряд ли такие неоправданно переусложненные правила основаны на выводах из наблюдений о слабости потомства от близкородственных браков. В примитивных обществах всегда очень много сложных и с нашей точки зрения нелепых правил и ритуалов, не приносящих никакой объективной пользы. Вопрос: почему так получается – выходит за рамки биологии (да и другие науки не очень-то на него отвечают – хотя вашей будущей науке, психологии, и следовало бы). Скорее всего брачные правила возникали наряду с прочими странными правилами. Однако выживали именно те общества, где близкородственные браки оказывались запрещенными. Когда люди жили маленькими изолированными деревнями, они особенно опасны. Таким образом, брачные правила вероятнее всего получили всеобщее распространение вследствие своего рода естественного отбора культур.

Кстати, здесь уместно подумать о том, что на генетическом уровне означает «близкие родственники». В качестве мерила генетической близости двух индивидуумов удобно выбрать долю аллелей, общих по происхожденгию, по всем локусам генома – она называется «коэффициент родства» и обычно обозначается r. Пусть у отца и матери нет ни одного одинакового аллеля во всех локусах генома, т. е. каждый родитель гетерозиготен по каждому локусу и ни один аллель одного родителя не тождествен ни одному аллелю другого, то есть все аллели уникальны. Эта ситуация для реальных людей практически невозможна, но удобна для нашего умозрительного рассмотрения. Каждый из их детей получает по одному аллелю каждого локуса от отца и от матери. Таким образом, у каждого ребенка ровно половина аллелей – общие с отцом, и ровно половина – общие с матерью, т. е. коэффициент родства детей и родителей составляет 1/2. А насколько близки друг к другу братья и / или сестры? В генетике употребляется понятие сиб, что означает «брат либо сестра». Каждый из сибов получает половину аллелей от одного и того же отца и половину аллелей от одной и той же матери. Но какую именно половину? В мейозе аллели каждого локуса попадают в ту или иную гамету совершенно случайно. Поэтому гаметы, дающие начало разным сибам, несут случайную половину аллелей родителей. А это значит, что каждый локус гаплоидного генома двух гамет одного родителя может с равной вероятностью нести одни и те же или разные аллели. Это значит, что из половины аллелей, получаемых каждым из двух сибов от одного родителя, половина (т. е. всего одна четверть всех его аллелей) будут идентичными аллелями, а половина (также всего одна четверть аллелей) – разными. То же самое происходит и с аллелями, получаемыми от второго родителя. Любые два сиба получают одну четверть идентичных аллелей от одного родителя и одну четверть идентичных аллелей от второго родителя, т. е. в сумме половина их аллелей будет идентична. Таким образом, коэффициент родства между братьями и / или сестрами также равняется 1/2. Только если в случае родителей и детей это соотношение строгое, то в случае сибов – вероятностное.

Легко убедиться, что генетическая близость между дедами / бабками и внуками / внучками, между дядями / тетями и племянницами / племянниками, между сводными братьями / сестрами составляет 1/4, между между двоюродными братьями / сестрами 1/8. А еще легче для выяснение доли общих по происхождению аллелей у двух родственников воспользоваться следующим алгоритмом. «Начнем с себя» – у каждого из нас все аллели общие с самим собой, поэтому при сравнении индивидуума с самим собой r=1. При сравнении двух субъектов коэффициент родства r складывается из компонент, представляющих родство через каждого их общего предка. Нужно подсчитать число звеньев родословной, n, связывающей двух сравниваемых субъектов через каждого их общего предка. Величину r можно получить по формуле r= (1/2)ⁿ¹ + (1/2)ⁿ² ... , где n1, n2 ... – длины родословной для каждого общего предка. Поясним на простых примерах. Два брата имеют двух общих предков – отца и мать, и отделены друг от друга двумя звеньями родословной через каждого из них (звено от одного брата к матери плюс звено от матери до другого брата, звено от одного брата к отцу плюс звено от отца к другому брату). Значит, r = (1/2)² + (1/2)² = 1/4 + 1/4 = 1/2, что мы и получили выше. А каково значение r между отцом и сыном? Сын связан с отцом одним звеном родословной, но сколько же у них общих предков? Один – это сам же отец и есть. Один общий предок и одно звено родословной дает по формуле уже знакомый нам результат 1/2 .

Напомним, что эти цифры мы получали из допущения, что все аллели родителей – разные. У реальных людей многие аллели находятся в гомозиготе и многие аллели разных людей совпадают. Поэтому истинные значения генетической близости между родственниками гораздо выше, а мы с вами сейчас фактически нашли их нижние пределы. Но соотношения генетической близости при разной степени родства сохраняются. Глядя на своих родственников и имея в виду степень родства и генетической близости, мы получаем богатую пищу для размышлений о влиянии наследственной информации на свойства живых организмов.

Поскольку у нас с вами не будет времени на популяционную генетику, расскажем здесь о явлении, прямо противоположном чистой линии – о панмиктической популяции. Вообще, популяцией называют некое множество особей и их потомков, между которыми возможен обмен генами за счет полового размножения. Обычно популяции нечетко отграничены друг от друга. Возьмем бабочку хвостатку березовую. На самом деле ее гусеницы развиваются на черемухе (название «березовая» ей было дано случайно, но раз данное, оно и осталось, по правилам зоологической номенклатуры). Черемуха растет во влажных местах, к примеру, по берегам рек. Бабочки в долине одной реки могут свободно спариваться друг с другом. Но вряд ли могут пролететь очень большое расстояние. Поэтому вероятность спаривания двух бабочек тем больше, чем ближе они находятся друг к другу, а бабочки из верховий и низовий никогда не встретятся. Тем не менее, обмену генов в одной долине как процессу, включающему много поколений, ничто не препятствует. Все хвостатки березовые одной долины будут представлять одну популяцию. Но черемуха растет и в сырых местах в лесу. Там тоже могут быть небольшие популяции хвостатки. А еще бабочки могут перелетать от леска к леску, и так либо индивидуальные бабочки, либо их гены за несколько поколений могут путешествовать из одной долины в другую. Так что все популяции хвостатки березовой умеренной зоны Евразии оказываются не до конца отделенными друг от друга.

Панмиктическая популяция – это идеальная популяция. Она полностью отграничена от внешнего мира, а любые две особи разного пола имеют в ней равную вероятность скреститься. Практически идеальную панмиктическую популяцию можно устроить для мушки дрозофилы в таком специальном «популяционном ящике» – ящике, где есть питательная среда для личинок и где мухи живут и размножаются. В идеальной популяции, где все имеют равные шансы на размножение, аллели сохраняются приблизительно в том численном соотношении, в каком они имелись у ее основателей, однако эти соотношения подвержены случайным колебаниям, которые тем меньше, чем больше численность популяции. С первого же поколения после образования идеальной популяции численные соотношения между гетерозиготами и гомозиготами разных типов начинают флуктуировать вокруг так называемых равновесных частот. Для случая двух аллелей – обозначим их x₁ и x₂ (хочется, чтобы вы привыкли, что аллели обозначаются по разному) равновесные частоты генотипов можно вычислить из так называемого соотношения Харди – Вайнберга (давайте не будем углубляться в их математический вывод). Пусть p – частота аллеля x₁ в популяции. Она равна удвоенному количеству гомозигот x₁x₁ плюс количество гетерозигот x₁ x₂, деленному на удвоенное общее число особей (т. е. мы считаем не особи, а имеющиеся у них аллели, которых вдвое больше, чем имеется диплоидных особей, причем нужных аллелей имеется по две у каждой гомозиготы и по одной у каждой гетерозиготы). Легко понять, что частота аллеля x₂ будет равна 1-p.

Соотношения Харди – Вайнберга представлены в таблице:

Можно заметить две вещи. Во-первых, равновесные частоты получаются как разложение бинома. Во-вторых, если частоты аллелей x₁ и x₂ равны между собой (или если наша популяция происходит от единственной гетерозиготы), то соотношения Харди – Вайнберга сводятся к уже знакомому нам расщеплению 1 : 2 : 1.

Если в популяции присутствует k аллелей: x₁, x₂, x₃, ..., x_k, с частотами p(x₁), p(x₂), p(x₃), ..., p(x_k) (сумма этих частот должна равняться единице), то соотношения Харди – Вайнберга также сохраняют вид разложения бинома.

Частоты гомозигот x₁x₁, x₂x_2, ..., x_kx_k будут соответственно равны p(x₁,)², p(x₂) ², ..., p(x_k) ², а частоты гетерозигот x₁x₂, x₁x_3, ..., x₁x_k , x₂x₃, x₂x_4, ..., x₂x_k и т. д. будут, равны соответственно 2p(x₁)p(x₂), 2p(x₁)p(x₃), ..., 2p(x₁)p(x_k), 2p(x₂)p(x₃), 2p(x₂)p(x₄), ..., 2p(x₂)p(x_k) и т. д.

Соотношения генотипов легко превратить в соотношения фенотипов, если знать отношения доминантности между аллелями.

Есть целый раздел генетики – генетика популяций, который в основном исследует частоты генотипов в популяции и те факторы, которые на них влияют. Соотношения Харди – Вайнберга имеют в генетике популяций очень важное значние как показатель близости популяции к генетическому равновесию, то есть к идеальной популяции.

Мы отвлеклись. Продолжим критику «законов Менделя» как формулировок (но никоим образом – как открытых им закономерностей!). «Закон расщепления гибридов второго поколения», конечно, верен (при условии что это второе поколение – от скрещивания гомозигот), но не говорит нам, какое именно расщепление мы увидим. А это зависит от многого – от схемы скрещивания, от отношений доминантности и т. д.

А вот третий закон – независимого расщепления признаков – в общем случае неверен. Далеко не все признаки расщепляются независимо, и мы это скоро увидим. Менделю необыкновенно повезло, что, работая с семью генами, он действительно случайно выбрал только независимо комбинирующие гены!

Так что давайте не вспоминать о трех законах Менделя, зато будем хорошо себе представлять механизмы наследования генов и признаков, изучению которых положил начало и так далеко продвинул Грегор Мендель. Если хотите воздать ему должное, говорите о закономерностях менделевской генетики или о менделизме.

На самом деле, до Менделя уже было известно многое: и дискретное наследование, и явление доминирования, и равноправие полов в наследственности, и однородность первого поколения гибридов, и расщепление во втором. Заслуга Менделя состоит, во-первых, в том, что он стал анализировать наследование отдельных признаков, а не пытался охватить весь фенотип в целом. Во-вторых, и это была без преувеличения гениальная догадка, он предположил, что зародыш получает от родителей некие материальные задатки наследственности, которые в результате имеются у него в двойном комплекте. И поставил эксперименты, которые блестяще согласовывались с этими предположениями. Для этой догадки тогда совершенно не было никаких оснований в том, что было известно о строении живых существ, но она однозначно описывала наблюдавшуюся Менделем феноменологию. И предвосхитила открытие поведения хромосом в мейозе. Таким образом, описав закономерности наследования как математическую абстракцию, Мендель приоткрыл природу наследственности как биологического явления, имеющего материальное основание.

Итак, что мы можем добавить к наблюдениям Менделя?

Во-первых, неполное доминирование или кодоминирование. Мы уже упомянули о нем в случае моногибридного расщепления. Теперь рассмотрим дигибридное расщепление.

Возьмем вместо локуса le локус tl. У гороха мутантный аллель tl в гомозиготе превращает усики в листочки. У гетерозиготы Tltl усик приобретает плоскую пластинку, то есть по сути превращается в очень узкий листочек. Таким образом, пара аллелей по данному локусу проявляет неполное доминирование.

Как будет расщепляться в F2 двойная гетерозигота Aa Tltl? Возьмем нашу таблицу с вероятностями генотипов и в левой колонке просто заменим ген le на ген tl. В правой колонке запишем фенотипы. Фенотип в отношении гена tl однозначно соответствует генотипу, поэтому просто скопируем обозначения фенотипа через удвоенный двухбуквенный символ гена.

Мы видим, что фенотипов имеется шесть. Расположим их сразу в таблицу: фенотип по a против фенотипа по tl.

Здесь мы видим два моногибридных расщепления – 3 : 1 для гена с доминированием и 1 : 2 : 1 для гена с неполным доминированием, а дигибридное расщепление включает 6 фенотипов в соотношениях 3 : 6 : 3 : 1 : 2 : 1.

Если оба гена кодоминантны или проявляют неполное доминирование, т. е. фенотип однозначно соответствует генотипу и никакие два генотипа не имеют идентичного фенотипа, то мы получим соответственно 9 фенотипов на 9 генотипов, в тех же соотношениях, что и в одной из предыдущих таблиц, где было записано 9 генотипов в столбик.

Лекция 14. ГЕНЕТИКА 3. ГЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, ЛЕТАЛИ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛА, ХРОМОСОМНЫЕ АНОМАЛИИ