Первая карта

Каждая наука стремится к некоей главной цели. Такая цель есть и у генетики. С первых ее шагов, когда законы Менделя были открыты вторично и подтвердилось, что наследственное вещество дискретно, то есть следует из поколения в поколение целиком, генетики пытались разыскать на хромосоме места, где размещается тот или иной ген, ответственный за тот или иной признак. Это занятие называется картированием хромосом, составлением хромосомных, или генетических; карт.

Зачем это было нужно? Трудно объяснить все в двух словах. Наверное, почти столь же трудно, как первому картографу хромосом - калифорнийскому профессору Томасу Генту Моргану было трудно растолковать некоторым современникам конечную цель его опытов. Весь наш разговор сейчас - ответ на этот вопрос. И лучше всего его продолжить в лаборатории Калифорнийского университета.

Давайте, невидимые, подсядем к столу ученого. В руке у Моргана большая лупа, с помощью которой он рассматривает почти прозрачные тельца четырех плодовых мушек - дрозофил. Эти мушки вошли в историю науки так же, как знаменитые павловские собаки, и стали первыми помощниками картографов хромосом благодаря своим очень ценным качествам. Дрозофила невелика - всего несколько миллиметров длины. Ее легко разводить в лаборатории, легко кормить. За какие-либо две недели из оплодотворенного яйца развивается личинка, куколка и взрослая мушка, способная дать в свою очередь несколько сотен "сыновей" и "дочерей". А если усыпить мух эфиром, с ними можно обращаться как с семенами, изучая их под лупой.

Вглядитесь, да ведь это целая коллекция.

Вот - серая дрозофила с длинными крыльями (А). Морган обозначил ген серого цвета заглавной буквой В, а ген длинных крыльев - заглавной буквой V. По классификации Менделя, эти гены, видимо, доминантные (серых длиннокрылых мух больше всего) и сцеплены друг с другом, то есть расположены на одной хромосоме.

В клетках тела чистопородной серой длиннокрылой дрозофилы - двойной набор хромосом. Формула генов в них должна быть BV BV.

Плодовая мушка дрозофила при сильном увеличении

А вот - черная дрозофила с короткими крыльями (Г). Таких мушек мало, так как они, судя по всему, - результат действия рецессивных генов. Ученый обозначил ген черного цвета строчной буквой в, а ген коротких крыльев - строчной буквой u. Формула хромосом чистой линии такой дрозофилы будет вu вu.

Вот - черные длиннокрылые дрозофилы (Б), формула их вV вV.

Вот - серые короткокрылые (В), формула их парных хромосом Вu Вu.

Сегодня Морган смотрит потомство от скрещивания этих двух гибридов: черной длиннокрылой матери и серого короткокрылого отца. Какое оно? Ученый знал, что в половых клетках мух (как и в половых клетках всего живого) набор хромосом половинный. Значит, у дрозофилы в половых клетках будет 4 хромосомы. На одной из них непременно разместятся гены окраски и длины крыльев. У гибридов, которых скрещивал Морган, формула одной из хромосом в половых клетках будет вV (со стороны матери) и Вu (со стороны отца). Клетки потомков этого "брака" получат обе хромосомы и будут иметь такую формулу (см. рисунок вверху).

Отсюда можно сделать вывод: потомки будут серыми длиннокрылыми, ибо у них есть оба доминантных гена - B и V.

А если скрестить этих потомков гибридов друг с другом, что получится? Посмотрим, какой материал имеется в половых клетках скрещиваемых мух. Он одинаков у отца и матери. Это - вV и Вu. Вот почему в оплодотворенной яйцеклетке могут оказаться вместе только эти хромосомы. В результате их всевозможных сочетаний вырастут черные длиннокрылые дрозофилы (хромосомы с генами вV и вV), серые короткокрылые дрозофилы (хромосомы с генами Вu и Вu) и серые длиннокрылые дрозофилы (хромосомы с генами Вu и вV).

Вот и сейчас ученый пристально рассматривает под лупой в десять раз увеличенных дрозофил. Так и есть. Все ожидаемые варианты мух налицо. Но что это? Генетик подцепил кисточкой крохотную черную мушку. Чудеса! Она - черная и... короткокрылая.

Неужели это тоже потомок гибридов? Но ведь такая конституция могла возникнуть лишь в том случае, если бы соединились две половые клетки (гаметы) с рецессивными генами - вu и вu. Но ведь таких половых клеток не было у мух-родителей? Нет, они были. Иначе не появилась бы на свет удивительная черная короткокрылая мушка.

Как же в таком случае могли возникнуть эти странные гаметы? А если... а если при образовании половых клеток хромосомы обменялись частями так, что гены черной окраски и коротких крыльев соединились в одной хромосоме?

Морган быстро взял в руки карандаш и нарисовал две хромосомы. Вот они (а):

Если они скрестятся (б), разорвутся в месте перекреста и воссоединятся опять, обменявшись местами (в), то тогда и появятся новые половые клетки: ВV и вu. Те самые вu, которые, соединившись при оплодотворении, дали черную короткокрылую чудо-дрозофилу Моргана.

Догадка о перекресте хромосом мелькнула у Моргана в 1911 году. Тогда она казалась невероятной, и ученые встретили новую теорию в штыки. Помощь пришла от цитологов, которые воочию наблюдали перекрест хромосом при образовании половых клеток. Тогда же выяснилось, что процесс рождения половых клеток гораздо сложнее, чем это казалось ранее. Посмотрите на рисунок. Там показана клетка, у которой всего одна пара хромосом. Отцовская хромосома черная, материнская - белая. Поначалу деление клетки ничуть не отличается от обычного митоза. Каждая из хромосом продольно "разрезается" надвое, отчего становится похожей на двойную нить. И так же, как при митозе, нити скреплены друг с другом центромерой. Они напоминают два одинаковых по форме крестика.

Вот двойные нити-крестики вытянулись рядом столь точно, что каждая черточка на одной из них соответствует таким же черточкам на остальных трех нитях. Нити скручиваются друг с другом. Этого для простоты на рисунке не показано.

Схема мейоза

А теперь будьте внимательны. Мы договорились, что один крестик белого цвета, другой - черного. Если бы можно было увидеть крестики после раскручивания, то они оказались бы "пегими". Да, да! Они обменялись частицами вещества совсем так, как если бы близнецы при прощании поменялись ну, скажем, ногами (Д).

Это и есть моргановский перекрест сплетенных хромосом, завершившийся обменом наследственного вещества. Генетики называют его кроссинговер. В этот момент все гены участка, переместившегося в новую хромосому, оторвутся от генов, оставшихся в хромосоме. И заметьте (это очень важно!), что чем дальше на хромосоме гены лежали друг от друга, тем у них больше шансов попасть в разные клетки.

При митозе центромера в конце концов делится на две половинки, и нити-близнецы отрываются друг от друга и расходятся в разные клетки. При мейозе этого не происходит. Вернее, происходит это не совсем таю. Кажется, что центромера сделана из сверхпрочного сплава, и даже в то время, когда хроматидам наступает пора отправляться в разные клетки, она все еще держит их друг подле друга. Так и получается, что обе нити-хроматиды переходят на новое местожительство совместно, скрепленные нерушимым кольцом центромеры: возникают клетки с двойным набором хромосом. Так заканчивается первое деление мейоза. Когда же клетки становятся гаплоидными, как у них уменьшается количество хромосом? Это происходит только при втором делении мейоза, которое называют также редукционным (Ж, З, И).

Каково эволюционное значение, целесообразность, что ли, процесса кроссинговера? С точки зрения генетики и эволюции, самое существенное в нем - возможность комбинации генов, получаемых от разных родителей.

Не было бы кроссинговера, в половую клетку попадали бы гены либо только отца, либо матери данной особи. После кроссинговера некоторые хромосомы половой клетки становятся гибридными. При скрещивании с другим гибридом потомки унаследуют уже признаки "дедушки" и "бабушки" с обеих сторон. Таким путем возникают все новые и новые комплексы генов, которые становятся материалом для отбора, осуществляемого, как известно, внешней средой.

Если сейчас снова вернуться в лабораторию Моргана, погрузившегося в созерцание невиданного гибрида - черной короткокрылой дрозофилы, то нам будет уже совершенно ясно, что две половые клетки, которые дали ей жизнь, возникли в результате кроссинговера хромосом в процессе мейоза, в процессе образования половых клеток. Перекрест пришелся как раз между местом расположения генов окраски и длины крыльев.

Но мысль ученого развивается дальше. Разумеется, рассуждает он, в процессе перекреста чаще всего будут разделяться гены, которые расположены дальше друг от друга. А значит, чем больше в потомстве процент кроссоверных мух, тем дальше друг от друга расположены на хромосоме "кроссоверные" гены. Если это так, то частота обменов участками может быть мерой расстояния между генами. Вот почему, изучая частоту перегруппировки разных признаков у гибридов дрозофил, можно составить генетические карты хромосом, то есть определить пространственное расположение генов.

Чтобы рассуждения ученого стали понятнее, заглянем в эту шкатулку. В ней лежат две длинные цепочки белых бус. Прежде всего сосчитаем бусинки. В каждой цепочке по 100 штук. Обратите внимание: они скреплены друг с другом крючками, их легко разъединять и соединять. Давайте слегка переделаем одну связку: заменим две крайние бусинки на розовую и красную, а две центральные - на желтую и оранжевую (I). И будем осторожно перемещать нити.

Вот связки вытянулись, как струны. Кстати, не напоминают ли они... хромосомы в первом делении мейоза? Тогда продолжим аналогию. Переложим конец первой нити так, чтобы он лег с другой стороны второй нити бус небрежно, как придется. Теперь цепочки образовали букву "х" (совсем как хромосомы в кроссинговере) (II). Разъединим их в месте перекреста и соединим разрозненные части разных бус. Розовая и красная бусинки теперь в разных связках, оранжевая и желтая - в одной (III).

Продолжим нашу игру. Но сначала вернем бусы в исходное положение: пусть снова будет одна чисто-белая нитка, а другая - с четырьмя цветными бусинками. Снова перекрест (теперь уже в другом месте), снова соединения разорванных частей и снова розовая и красная бусинки оказываются в разных цепочках, а оранжевая и желтая - вместе. В каждой связке по 100 бусинок, значит, мы можем делать перекрест и разрыв бус в 99 разных местах. Как часто при этом будут "расставаться" красная и розовая бусинки? Всегда, во всех 99 сочетаниях. А желтая и оранжевая, те, что лежат рядом? Лишь в одном-единственном случае, когда разрыв придется между ними.

Если бы цепи из бус были абсолютно невидимыми (как гены в хромосоме) и мы узнавали бы о существовании розовых, красных, желтых, оранжевых бусинок по проявлению каких-либо следствий их перегруппировки (у дрозофил - по окраске тела и длине крыльев), то мы непременно догадались бы о месте положения бусинок. А именно: следствия разъединения розовой и красной бусинок проявлялись бы всегда, в 99 процентах комбинаций, а следствие разъединения желтой и оранжевой - только в 1 проценте. Значит, количество комбинаций служит своеобразной мерой расстояний между бусами. И мы с полным правом могли бы начертить "карту", взяв за единицу масштаба один процент.

Отсюда ясно, что если мы сумеем обнаружить какие-либо следствия перемещения генов в хромосоме, то можно, вычислив процент проявления этих перегруппировок у гибридного потомства, составить генетическую карту хромосом.

Сегодня уже известно, что гены управляют цветом глаз и тонкостью обоняния, длиной крыла и формой тела того или иного животного, от них зависит, например, будет ли кролик черный или альбинос, какими на вид, гладкими или морщинистыми, станут семена у горошка... Но как доказали, что именно гены, а не какая-либо иная сила управляет наследственностью? Ответ на этот вопрос дали опыты по составлению генетических карт.

Итак, в центре генетики прочно поселилась проблема гена. Поначалу она была чисто умозрительной, но после работ Моргана, когда ученые создали хромосомные карты, ген стал "обретать твердую почву под ногами", стал, так сказать, материализоваться. Ученые узнали, что хромосомы состоят из цепи генов. Гены сцеплены, если лежат на одной хромосоме. Группа сцепления - это синоним одной пары хромосом. У человека 23 группы сцепления (фото 3, 4), у дрозофилы - 4.

Фото 3. Хромосомы человека, увеличенные примерно в 1200 раз

После открытия гигантских хромосом у дрозофилы (1934 г.) ученые увидели под микроскопом, что каждый ген занимает определенное место. Так возникло представление о гене, как физической единице. Ободренные видом первых карт дрозофилы, исследователи заключили: ген - это некое неделимое место в хромосоме, определяющее наследственный признак и участвующее в генетическом обмене.

С первых же шагов генетики убедились: для успеха картирования ген должен существовать в природе минимум в двух формах. Что это значит?

Фото 4. Выделенная хромосома человека увеличена в 6000 раз (фото-увеличение)(лаборатория кариологии Института молекулярной биологии АН СССР)

Для составления первой карты Томасу Генту Моргану понадобились дрозофилы с двумя типами гена окраски. Помните: ген серой и ген черной окраски!

В связках бус мы заведомо покрасили четыре бусинки в разные цвета, сохранив аналогичные им по положению бусы в прежнем, белом цвете. Очевидно, что выявить кроссоверную особь, которая "укажет" на хромосоме место расположения гена, можно, только имея ген в двух формах. Вот мы и подошли к новому генетическому понятию - ген-аллель. Аллель - это очень важное слово в генетике. Так называют различные формы существования одного и того же гена. Если один вариант гена - норма, то второй, измененный - его аллель.

Понятие аллеля менялось на протяжении всего существования генетики. Поначалу аллелем считали одно из двух альтернативных (исключающих друг друга) состояний (доминантности и рецессивности), в которых находится ген. Но впоследствии выяснилось, чго таких состояний гораздо больше. Тогда аллелем стали называть любое состояние гена, при котором проявляется иной, чем обычно встречающийся в природе, признак.