5. Первый закон Менделя: расщепление

После краткого ознакомления с цитологией вернемся к генетике. Главным рабочим инструментом цитолога можно считать микроскоп; с его помощью цитологи увидели, что хромосомы, а вместе с ними и гены расщепляются на стадии мейоза и в гаметы попадают поодиночке. Для генетики главный метод исследования - скрещивание различных штаммов, поэтому сейчас мы обратимся к рассмотрению скрещиваний, показывающих расщепление генов во время мейоза. Прежде чем описывать эти опыты, следует вспомнить некоторые термины, которым уже были даны определения: гаплоид и диплоид для клеток и особей, несущих соответственно один или два набора хромосом, и аллеломорфы, или аллели, для генов-партнеров, дающих различные проявления. К этим терминам я хочу добавить два новых, которые описывают генетическое строение диплоидного индивида в отношении любой данной пары генов. Очевидно, существует две возможности: или гены-партнеры одинаковы, или они аллеломорфны. В первом случае индивид гомозиготен по данному гену и представляет собой гомозиготу; во втором случае он называется гетерозиготным и является гетерозиготой. Горох, у которого оба гена вызывают образование морщинистых семян или оба гена вызывают образование гладких семян, является гомозиготным либо по морщинистому, либо соответственно по гладкому гену. Горох, у которого один ген дает морщинистые семена, а аллеломорфный ген - гладкие, является гетерозиготным по морщинистому и по гладкому гену. Легко видеть, что для выявления расщепления генов пригодны только гетерозиготы, так как гены можно различать по их проявлению, расщепление одинаковых генов в гомозиготе наблюдать невозможно.

У высших организмов (макроорганизмов) трудно наблюдать непосредственное проявление расщепления при мейозе, так как зрелые гаметы сливаются при оплодотворении, и потомство, у которого мы наблюдаем эффекты генов, несут гены из двух различных гамет. На рис. 8 показан жизненный цикл у кур, выраженный в гаплоидии и диплоидии. Диплоидные куры и петухи образуют гаплоидные яйцеклетки и сперматозоиды. При оплодотворении гаметы сливаются и дают оплодотворенное яйцо, которое, в свою очередь, развивается в диплоидный эмбрион, затем в цыпленка и взрослую курицу или петуха. Таким образом, весь жизненный цикл, за исключением цикла половых клеток, троходит в стадии диплоидии.

Рис. 8. Жизненный цикл курицы

У многих микроорганизмов картина совершенно иная. Нa рис. 9 показан жизненный цикл зеленой водоросли хламидомонады. Каждая особь этого вида представляет собой микроскопических размеров клетку, плавающую в воде с помощью двух кнутикообразных волосков (жгутиков). Эти клетки гаплоидны, имеют только один набор хромосом, несущих все гены данного вида водоросли в единичном числе. Новые клетки образуются путем деления старых. Вся популяция 6 может быть выведена из одной клетки 5 несколькими повторными делениями. Такие популяции называют клонами. Поскольку при митозе обе дочерние клетки получают в точности одинаковый набор хромосом и генов, все клетки в пределах клона генетически одинаковы. У них не существует различных на глаз полов, однако физиологически имеется явное отличие между полами, или "типами спаривания", обозначенными на диаграмме через "+" и "-" (см. рис. 9). Клетки одного и того же клона принадлежат всегда к одному типу спаривания и никогда не спариваются друг с другом. Не происходит спаривания также и тогда, когда встречаются клетки двух "+" или двух "-" клонов. Если же поместить в один и тот же сосуд клетки "+" и "-" клонов, образуются пары. Каждая пара 1 и 2 состоит из одной "+" и одной "-" клетки; они сливаются (3) и образуют спору-зиготу 4, покрытую толстой оболочкой. Зиготу можно сравнить с оплодотворенной яйцеклеткой, скажем, собаки или мухи. Она содержит хромосомы обеих гамет и, таким образом, диплоидна. Вскоре после оплодотворения внутри зиготы происходит мейоз и выходит рой гаплоидных гамет 5. Этим начинается новый жизненный цикл, осуществляемый путем деления. Фактически гаметы хламидомонады не отличаются от любых других свободно плавающих клеток. У этих водорослей, так же как у многих других микроорганизмов, весь жизненный цикл, за исключением зиготы, проходит в гаплоидной стадии и расщепление во время мейоза не осложняется диплоидностыо потомства.

Рис. 9. Жизненный цикл водоросли

Обычно, чтобы наблюдать расщепление, из гаметы надо вырастить клоны. Иногда сами расщепляющиеся гаметы на глаз отличаются друг от друга. На рис. 10 показан такой случай для хламидомонады. Два штамма 1 и 2 различаются одним геном, который вызывает развитие жгутиков. В то время как штамм 1 имеет все гены, необходимые для образования жгутиков, штамм 2 имеет неполноценный аллель одного из этих генов и поэтому не может образовывать жгутики. При скрещивании этих двух штаммов путем слизания в один сосуд "+" клеток одного штамма с "-" клетками другого (не имеет значения, который из штаммов дает "+", а который "-" клетки) образуется зигота 3, которая несет оба аллеля и, таким образом, гетерозиготна по рассматриваемому гену. При редукционном делении хромосомы-партнеры расщепляются и переносят в отдельные клетки различные аллели. При втором мейотическом делении каждая клетка делится еще раз путем митоза, так что в итоге образуется четыре гаметы, две из которых несут нормальный, а две - неполноценный аллель. Когда гаметы в виде роя 4 выйдут наружу, видно, что две из них имеют жгутики, а другие две - нет. Такое различие существует в клонах, образовавшихся из гамет. Если дать возможность каждой гамете образовать клон 5, то два клона будут состоять из свободно двигающихся клеток, снабженных жгутиками, а клетки двух других клонов будут лишены жгутиков и осядут на дно пробирки.

Рис. 10. Расщепление по признаку отсутствия жгутиков у хламидомонады. Клетки без жгутиков не могут плавать и падают на дно пробирки, в которой их разводят

Тот факт, что гетерозигота всегда дает две гаметы, несущие один аллель, и две другие, несущие другой, настолько хорошо установлен, что его можно использовать с обратной задачей выявления того, обусловлены ли различия между двумя штаммами микроорганизма влиянием аллеломорфнои пары генов или нет. Если это так, то гаметы, образующиеся при скрещивании штаммов, дадут начало двум клонам, сходным с одним штаммом, и двум клонам, сходным с другим штаммом. На рис. 11 показана схема опыта, в котором этот метод использован для генетического анализа биохимических свойств дрожжей. Дрожжи наравне с хламидомонадами - одноклеточные организмы. Многие штаммы гаплоидны и могут быть использованы в опытах по расщеплению. Подобно хламидомонадам у дрожжей встречается два типа спаривания "+" и "-", на глаз неотличимые друг от друга. Как известно, дрожжи сбраживают сахар, образуя спирт и двуокись углерода. Отдельные штаммы отличаются друг от друга своей способностью сбраживать различные сахара. Так, одни штаммы быстро сбраживают галактозу (один из компонентов молочного сахара), другие делают это замедленно и неэффективно.

Рис. 11. Расщепление дрожжей по их способности сбраживать галактозу. Культуры в среднем ряду растут на твердой среде с глюкозой. Культуры в верхнем и нижнем рядах растут на жидкой среде с галактозой в качестве единственного сахара. В жидкой среде клетки, которые могут сбраживать галактозу, заполняют внутреннюю трубочку углекислым газом

Брожение очень легко обнаружить, собрав выделяющийся газ в пробирку, предварительно заполненную не поглощающей углекислоту жидкостью, а затем соединенную с сосудом с дрожжевыми клетками. Если среда содержит сахар, который может сбраживаться, пробирка постепенно заполняется газом, если сахар не сбраживается, пробирка остается заполненной жидкостью.

В опыте, изображенном на рис. 11, среда в верхних двух пробирках содержит только один сахар - галактозу. Штамм 2 способен расщеплять этот сахар, штамм 1 - нет. В одну пробирку сливают клетки 3 и 4 двух штаммов - образуется зигота 5, которая в результате мейоза дает четыре гаметы 6. Каждая гамета образует клон 7 на твердой среде, содержащей глюкозу - сахар, который сбраживается всеми штаммами дрожжей. Окончательные испытания с клонами 8 проводятся в особых, предназначенных для учета брожения пробирках, содержащих только галактозу. Легко заметить, что два клона (слева) сбраживают галактозу, а два других - нет.

Таким образом, разница между двумя исходными родителями распределялась в соотношении 2:2 (или 1:1), которое можно ожидать в случае действия одной пары генов. На основании многочисленных опытов можно было сделать вывод, что способность дрожжей сбраживать галактозу управляется геном, который у несбраживающего штамма отсутствует, а если присутствует, то в виде нефункционирующего или слабо функционирующего аллеломорфа.

Факты, рассматриваемые в данной главе, составляют сущность первого закона Менделя, или закона расщепления. В современной терминологии его можно сформулировать следующим образом. Когда гетерозигота образует гаметы, половина из них несет один из двух аллелей, половина - другой. Основа расщепления генов - расщепление хромосом при мейозе.

Сам Мендель не мог, конечно, выразить этими словами полученные им результаты. Однако он вполне определенно заявил, что эти данные можно объяснить механизмом такого рода, в особенности это относится к знаменитому соотношению 3:1, которому придавалось слишком большое значение. Это соотношение надо считать скорее отдаленным последствием основного расщепления гамет в отношении 1:1.

В следующей главе мы проследим, каким образом при скрещиваниях высших организмов соотношение 1:1 переходит в другие соотношения, в частности 3:1. При этом нам придется коснуться простейших статистических правил, типа правила, которое применяют для определения вероятности того, что при подбрасывании монеты 100 раз 50 раз выпадет решка. Этот статистический аспект генетики отвергала школа Лысенко, заявляя, что математика не должна применяться к биологическим объектам, и Мендель не имел права говорить о соотношении 3:1 между гладкими и морщинистыми горошинами, если в некоторых бобах содержалось по 6 только гладких горошин. Для современной биологии эти аргументы надо считать совершенно несерьезными. Во всяком случае, я хочу подчеркнуть, что закон расщепления отнюдь не является статистическим. Когда имеется возможность проследить за процессом расщепления непосредственно на четырех гаметах, образующихся при мейозе, совершенно точно две из них оказываются одного вида, а две - другого.