Наследственность

— присущее всем организмам свойство передавать потомству характерные черты строения, индивидуального развития, обмена веществ, а следовательно, состояния здоровья и предрасположенности ко многим заболеваниям. По наследству могут быть переданы признаки не только нормального, но и измененного болезненного, патологич. состояния организма. Здоровье человека, как и предрасположенность к заболеваниям, в значительной мере наследственно обусловлены. Являясь важнейшим общебиологич. свойством живого, Н. обеспечивает многообразие форм живых существ. В то же время изменение конкретных наследственных свойств, закономерно происходящее за счет процесса изменчивости, сопряженное с процессом естественного отбора лучших форм (см. Эволюционное учение), обеспечивает непрерывность процесса эволюции живых существ на Земле. Н. возможна благодаря проявлению специфич. черт устройства генетического аппарата, реализации его в процессе индивидуального развития (см. Онтогенез) в определенные признаки и свойства морфологич., физиологич. или биохимич. организации живых существ, а также передачи точного строения генетич. аппарата потомкам. Выяснение закономерностей наследования — важнейшее достижение материалистич. науки. Основные понятия и законы учения о наследственности. Одним из основополагающих принципов учения о Н. является характеристика наследственных задатков — генов как дискретных (отдельных) частиц живой материи, к-рые определяют признаки и свойства организма в процессе его развития. Организм получает наследственные задатки — гены — от родителей в результате полового процесса — скрещивания или деления клеток исходного организма при бесполом размножении (см. Размножение). В клетках тела взрослого организма каждый ген имеет пару (аллель). При созревании половых клеток (гамет) аллели гена расходятся в разные гаметы. Т. о., каждая гамета несет один ген из пары. Эта закономерность, известная под названием закона чистоты гамет, была вскрыта Г. Менделем. При оплодотворении половые клетки отца (сперматозоиды) и матери (яйцеклетки) сливаются, образуя новую клетку — зиготу, в к-рой для каждого из признаков имеется уже пара задатков (генов) — один отцовский, другой родителей проявляются неодинаково. Так, напр., известно, что внешний облик, детали обмена веществ, черты характера ребенка могут в большей степени соответствовать признакам одного материнский. Т. о., в будущем новом организме наследственные признаки обусловлены парой генов, полученной от обоих родителей. Вместе с тем в организме ребенка признаки каждого из 7-гомозиготен по гену А 2-гомозиготен по гену а половые клетки 1-яйценлетни 2-сперматозоиды оплодотворенные яйценлетни (зиготы) развитие организмов (I поноление гибридов) оба гетерозиготны (проявляется только ген А) половое созревание половые клетки оплодотворенные яйценлетни {зиготы) развитие организмов (II поколение гибридов) гомозиготен по гену а гомозиготен по гену А гетерозиготны по гену А Расщепление из родителей. Это, как установил Г. Мендель, связано с тем, что существует два типа наследственных задатков (генов) — сильные (доминантные) и слабые (рецессивные). Признаки, определяемые доминантными генами, обязательно проявляются в процессе индивидуального развития организма, действие рецессивных генов в процессе их взаимодействия с доминантными подавляется. По предложению Г. Менделя, доминантные факторы обозначают прописными буквами (А, В, С и т. д.), а рецессивные — строчными (а, Ь, с и т. д.). Поскольку доминантный фактор А подавляет в зиготе действие рецессивного фактора а, то из этой зиготы (Г. Мендель назвал эти клетки гетерозиготными) разовьются организмы, внешний вид к-рых будет определяться лишь фактором А. Только в организмах, клетки к-рых содержат по паре рецессивных факторов а, определяемый признак имеет внешний вид (фенотип), определяемый рецессивными факторами (генами). Организмы, в клетках к-рых парные гены одинаковы (оба доминантные иди оба рецессивные), называют гомозиготными. Если бы родители различались только по одному признаку, нетрудно представить схему сочетания признаков (рис. 1). Явление доминантности широко распространено в природе (оно проявляется и в отношении наследования многих признаков у человека), однако проявление доминантности различно. В ряде случаев имеет место неполное доминирование: в фенотипе потомков частично проявляется признак как одного, так и другого родителя. Хорошо известно явление так наз. множественного аллелизма, при к-ром ряд генов последовательно доминирует один над другим. Признаки, наследование к-рых подчиняется перечисленным закономерностям, принято называть менделирующими (по имени Г. Менделя). У человека менделирующими признаками являются, напр., альбинизм (отсутствие пигментации, вызываемое рецессивным геном; встречается у всех человеческих рас с частотой 1 на 20— 30 тыс. новорожденных), цвет глаз, характер волос (курчавые или гладкие), групповые отличия по различным факторам в крови (см. Группы крови) и др. Законам Менделя подчиняются и гены, обусловливающие наследственные болезни человека. Изучение закономерностей проявле­ ния рецессивных генов у гетерозигот­ ных организмов (Аа) имеет огромное теоретич. и практич. значение. Напр., если рецессивный ген (а) определяет наследственное заболевание, то важно знать, что гетерозиготные организмы (Аа) являются носителями таких скры­ тых патологич. генов, проявление к-рых в фенотипе их гомозиготных потомков (аа) влечет за собой выявление болезни. В ряде случаев рецессивный ген частич­ но проявляет себя и в гетерозиготном организме. У человека и животных та­ ким образом наследуется альбинизм. Если гомозиготные организмы (аа) — полные альбиносы (отсутствует пигмен­ тация кожи, волос и радужки глаз, зре­ ние ослаблено), то гетерозиготные (Аа)— частичные альбиносы (светлая окрас­ ка кожи, волос, почти бесцветные гла­ за и др.). Экспериментально изучив результаты скрещивания организмов, различающихся по одному, двум, трем и т. д. числу факторов (генов), Г. Мендель сформулировал правила наследования — возможные соотношения проявлений родительских признаков у их потомков. Г. Мендель не знал, что собой представляют наследственные факторы (гены) и где они расположены в клетках, поэтому он считал, что наследственные факторы передаются независимо друг от друга. Позднее было установлено, что гены сосредоточены в ядре клетки и располагаются по длине особых структур, названных хромосомами. Амер. ученый Т. Морган и его ученики не только доказали связь генов с хромосомами, но и разработали метод изучения взаиморасположения генов в хромосоме. При этом в разных хромосомах может находиться разное число генов. Гены, расположенные в одной хромосоме, передаются при скрещивании сцепленно, совместно (если только не произойдет обмен участками между разными хромосомами). Выяснив, что хромосомы могут обмениваться друг с другом участками за счет перекреста — кроссинговера (см. Ген), Т. Морган установил, что чем дальше друг от друга находятся в хромосомах два гена, тем чаще между ними может произойти кроссинговер (рис. 2). Напр., если расстояние между генами А и D в первой хромосоме и а и d во второй хромосоме в 2 раза больше расстояния между генами А и В, то кроссинговер между этими хромосомами в участке А—D может произойти в 2 раза чаще, чем в участке А—В, а кроссинговер в участках А—В и В—D — в 2 раза чаще, чем в участке В—С или С—D. На этом основании Т. Морган предложил использовать частоту кроссинговера как меру расстояния между генами. Установлено, что в клетках каждого вида организмов содержится строго определенное число хромосом и, более того, форма и строение каждой отдельной хромосомы строго постоянны. Набор хромосом клеток одного вида (кариотип) имеет одинаковый вид, этот «групповой портрет» настолько определенен, что опытный специалист по виду набора хромосом может отличить клетки одного вида от другого. С хромосомами связано еще одно важное свойство живых клеток. Т. Морган установил, что в кариотипе каждой клетки тела есть пара хромосом, определяющих пол особи,— половые хромосомы. По форме половые хромосомы делятся на 2 группы: первые — большой длины и палочковидной формы — были названы Х-хромосомами, а вторые — небольшие, нередко загнутые крючком — Y-хромосомами. У особей женского, пола животных, растений и многих насекомых в ядрах клеток тела содержится по двеХ-хромосомы, у мужских особей — одна Х- и одна Y-xpo-мосома. Открытие этого правила позволило понять, почему число особей каждого пола примерно равно. Если изобразить процесс образования половых клеток и последующего их оплодотворения, то можно увидеть, что равное число особей обоего пола всегда будет сохраняться (рис. 3). Всякое изменение числа хромосом в клетках оказывает глубокое влияние на свойства организма. Известны случаи, когда в клетках оказывается на одну или несколько хромосом больше, чем в норме, или же на одну или несколько хромосом меньше. Такие организмы называют анеуплоидными. У человека нехватка или избыток отдельных хромосом приводит к тяжелым наследственным болезням. Кроме того, нередко у многих организмов происходит удвоение, утроение и т. д. всего набора А / хромосома В 1 С 1 В 1 а И хромосома b | с d j 0,5 1 0,75 1 Рис. 2. Генетическая карта гомологичных хромосом, содержащих четыре гена, представленных в доминантных (А, В, С и D) и рецессивных (a, b* ed) формах. Если принять расстояние между генами А и D на генетической карте первой хромосомы за единицу (соответственно этому расстояние а — d на второй хромосоме также составит единицу), то расстояния А — В, В — D, а — b и b — d будут равны 0,5; а В — С, С — D, Ь — сие — d- 0,25. Вероятность перекреста в участке между генами А — В и В — D будет вдвое меньше» чем между генами А — D, а между генами В и С еще в два раза меньше, пропорционально тому, во сколько раз меньше длина каждого из участков по сравнению с длиной всего отрезка А — D. Таким образом, изучая частоту перекреста между двумя избранными генами, можно определить относительное расстояние между ними. Это расстояние обычно выражают в долях от всей генетической карты данной хромосомы, длину которой принимают за единицу. Цифры внизу рисунка обозначают относительную частоту перекреста между генами и соответствуют относительному расстоянию между этими генами в хромосомах. Х-хромосома У-хромосома о сг ' Л / половое созревание У V Х~хром6сомы оплодотворенные яйцеклетки (зиготы) Соотношение полов- 50% 9 •" 50% (У Рис. 3. Хромосомные основы соотношения полов. Клетки самок (?) егбычно содержат пару Х-хромосом, а самцов (с?)—одну Х-хромосому и одну Y-хромосому. Поэтому при созревании яйцеклетки несут по одной Х-хромосоме, а сперматозоиды как Х-хромосому, так и Y-хромосому. При оплодотворении это сочетание приводит к появлению одинакового числа самцов и самок, что повторяется из поколения в поколение. хромосом — кариотипа. Это явление названо полиплоидией. Полиплоидизация у растений, повидимому, играла большую роль в эволюции растительного мира. Особенно важными для обоснования хромосомной теории Н. оказались случаи нарушений в структуре половых хромосом. Возможность точного математич. предсказания признаков у этих аномальных форм стала лучшим способом проверки правильности хромосомной теории Н., при к-ром отклонения от нормы получили законченное объяснение. Одновременно с этим детальному изучению подверглись случаи наследования генов, располагающихся не в половых, а в остальных хромосомах, так наз. аутосомах. Разработан специфич. метод изучения хромосом, к-рый позволяет выявлять индивидуальные черты строения отдельных хромосом на основе использования метода их дифференциальной окраски. С этим методом связывают надежды на выявление сложных случаев обмена участками между хромосомами — так наз. транслокации (см. Мутагенез), что важно для мед. и с.-х. генетики. Формирование отдельных признаков, как правило, происходит в результате взаимодействия большого числа генов. В процессе развития организма при формировании его признаков происходит сложное взаимодействие продуктов различных генов. Действие одних генов подавляется другими, или признак проявляется только при совместном участии нескольких генов (комплементарное действие). Лишь незначительное число генов связано с проявлением только одного конкретного признака. У большинства высших животных и человека признаки определяются одновременным участием нескольких генов (полимерия). В той же мере отдельный ген может участвовать в развитии нескольких, казалось бы далеких признаков (плейотропия). Последнее объясняет, почему при наследственных заболеваниях, возникающих в результате повреждения лишь одного гена, наблюдаются нарушения со стороны различных органов и процессов. Для понимания закономерностей наследования признаков — порядка их распределения и комбинации в потомстве большое значение имело выяснение еще одного свойства генов — их способности к рекомбинации (см. Ген, обмен генами), т. е. перемещению из одной гомологичной хромосомы в другую. Это явление, изученное впервые Т. Морганом, обусловлено тем, что гомологичные хромосомы в созревающих половых клетках тесно сближаются (конъюгируют) и перекрещиваются. После этого хромосомы разъединяются, отдаляются друг от друга, а затем в процессе деления — мейоза (см. Размножение) — расходятся по разным клеткам. Места перекреста конъюгирующих хромосом (хиазмы) отчетливо видны под микроскопом. Т. о., каждая хромосома после конъюгации и перекрещивания оказывается частично обновленной; она несет в себе часть наследственного материала другой хромосомы. В результате различные зрелые половые клетки оказываются разнокачественными в генетическом отношении. В этом сущность процесса перекомбинирования генетического материала. Процесс этот является одним из важных источников разнообразия организмов при скрещивании, т. к. рекомбинация генов влечет за собой различную комбинацию признаков у потомков (комбинативная изменчивость — см. Изменчивость). Изучение сцепления и рекомбинации еще в те времена, когда не было данных о тонкой структуре хромосом и молекулярной структуре генов, позволило составить хромосомные карты, определить место гена в хромосоме, рассчитать расстояние между ними (так наз. составление генетических карт), предсказать результаты сочетания генов, а значит, и признаков при скрещивании. Большое значение для проявления активности генов имеют условия существования данного индивидуума. Факторы окружающей среды оказывают большое влияние на реализацию генетической программы особи. Строение и функционирование любого организма определяется не только его наследственными потенциями, но и условиями, в к-рых эти потенции развиваются и реализуются. Понимание закономерностей наследования было углублено при переходе к исследованиям на молекулярном уровне. Было выяснено, что материальной основой наследственности являются молекулы дезоксирибонуклеиновой к-ты (ДНК), а в молекулах рибонуклеиновых к-т (РНК) закодирована генетическая программа лишь у некрых вирусов (см. Н уклеиновые кислоты). Молекулы ДНК входят в состав хромосом, они также имеются в ряде внутриклеточных органелл, находящихся в цитоплазме (митохондриях, пластидах растительных клеток и т. д.). В соответствии с этим говорят о ядерной и цитоплазматической (или внеядерной) Н. Для реализации генетической программы организмы обладают способностью считывать генетическую информацию, закодированную в ДНК (см. Генетический код), в виде молекул информационных РНК (иРНК), являющихся копиями генов. В свою очередь молекулы иРНК, соединяясь со специальными структурами клеток — рибосомами (см. Клетка), программируют синтез белков, а последние управляют всеми реакциями в клетках, обеспечивая жизнедеятельность организмов. Типы наследования. Построение генетических карт позволило выяснить характер и порядок расположения многих генов в хромосомах человека, а изучение проявления у организмов доминантных и рецессивных генов дало возможность вычленить несколько типов наследования. Прежде всего были изучены типы наследования признаков, кодируемых генами, расположенными в половых хромосомах. Важнейшей особенностью этого типа является то, что у гетерозиготного пола, несущего в каждой клетке тела две разные половые хромосомы —¦ X иY (напр., мужские особи у человека), гены, расположенные в одной из хромосом и не имеющие партнера в другой хромосоме, будут проявляться независимо от того, доминантны они или рецессивны. Поэтому, если у матери действие болезнетворного гена, расположенного в одной из Х-хромосом, может быть подавлено доминантным геном другой Х-хромосомы, то у ее сына, получившего от нее Х-хромосому с болезнетворным геном, пусть даже и ре- цессивным, этот ген тем не менее может проявиться в виде наследственной болезни. Примером такой болезни является гемофилия (пониженная свертываемость крови и обусловленная этим кровоточивость), при к-рой мальчики, получившие от матери Х-хромосому с рецессивным болезнетворным геном, заболевают, а у девочек, получивших Х-хромосому с дефектным рецессивным геном от матери и нормальную Х-хромосому от отца, болезнь проявляться не будет. По этому же так наз. Х-хромосомному типу наследуются многие другие болезни — цветовая слепота, некрые формы диабета и др. Точно так же признаки, кодируемые генами, расположенными в Y-хромосоме и не имеющими аналогов в Х-хромосоме, будут проявляться только у мужских особей, не передаваясь женским. Иначе будет происходить наследование тех признаков, гены к-рых расположены не в половых хромосомах, а в аутосомах. В случае, если признак определяется доминантным геном, то любая хромосома матери или отца, попавшая при оплодотворении в зародышевую клетку, будет размножена во всех клетках тела развивающегося организма и даст проявление. Если речь идет о болезнетворном (патологич.) гене, то определяемый им признак проявится у любой из несущих его особей, как женской, так и мужской. В этом случае больные мальчики и девочки рождаются с одинаковой частотой. В случае брака между супругами, один из к-рых несет болезнетворный (патологич.) аутосомнодоминантный ген, вероятность проявления заболевания у их детей составляет 50%. Гораздо более низка вероятность наследования признаков, кодируемых рецессивными генами, располагающимися в аутосомах. Такие гены широко распространяются в популяциях с помощью открытого советским генетиком С. С. Четвериковым процесса, позже названного генетическим дрейфом. В скрытом, рецессивном, состоянии действие этих генов подавляется их доминантными партнерами, лежащими в других парных хромосомах. Однако в случае, если каждый из родителей несет по одному одинаковому рецессивному гену, у 25% детей в каждой из парных хромосом будет иметься по паре рецессивных генов, и действие рецессивного гена проявится. Отсюда ясно, насколько вредно вступление в брак лиц, являющихся носителями одинаковых рецессивных генов. Хотя выявление такого носительства пока достаточно трудная задача, тем не менее очевидно, что наибольшая вероятность совпадения генотипов родителей будет наблюдаться при браках между близкими родственниками. По аутосомнорецессивному типу наследуются многие тяжелые нарушения обмена веществ, заболевания нервной системы, болезни крови и др. Проявление наследственных признаков организма может происходить на протяжении всего периода его индивидуального развития. Известно большое число наследственных болезней, проявляющихся не в раннем возрасте, а на более поздних стадиях развития. Так, напр., ряд наследственных форм диабета, тяжелое заболевание нервной системы — хорея Гентингтона и многие другие болезни проявляются в возрасте 30—40 лет, т. е. в то время, когда носители болезнетворных генов, не подозревая о своем дефекте, вступают в брак и дают потомство, также отягощенное этим дефектом. Отсюда ясна роль развития исследований по раннему выявлению носительства патологич. генов. Важное значение имеет Н., обусловленная действием внехромосомного генетического материала, к-рый содержится в органеллах цитоплазмы (напр., в митохондриях). Совокупность цитоплазматич. генов (плазмогенов) обозначают термином «плазмон» (в отличие от совокупности хромосомных генов — генома). Плазмогены передаются потомкам гл. обр. по материнской линии, т. к. сперматозоиды, содержащие отцовские факторы, имеют ничтожно малое количество цитоплазмы, а следовательно, и малое количество плазмогенов. Внеядерные гены размножаются чаще всего независимо от хромосомного аппарата и потому их распространение подчиняется другим закономерностям. Изучению внеядерных генов уделяется особенно большое внимание, т. к. установлено, что многие важные признаки (повышенная способность к мутациям, устойчивость к антибиотикам и др.) определяются у микроорганизмов на-»следственными структурами цитоплазмы. Поскольку многие из этих микроорганизмов имеются и в теле человека (и часть из них может быть патогенной), то несомненно, что устойчивость к определенным антибиотикам будет приводить к устранению леч. эффекта антибиотиков и многим другим нежелательным последствиям. Установлено, что у высших организмов в каждой клетке значительная часть генов сосредоточена в ДНК митохондрий, с к-рыми связаны эйергетич. процессы клеток, а также в других органеллах клетки, содержащих ДНК (напр., пластидах у растений). Естественно, что проявление активности этих цитоплазматич. генов играет важнейшую роль в жизнедеятельности организмов. Доказано также, что цитоплазматич. гены «работают» во взаимодействии с хромосомными и, т. о., взаимодействие генома и плазмона создает сложное и координированное во времени и пространстве проявление реакций и процессов, определяющих жизнедеятельность живых организмов. Процессы реализации наследственной информации протекают в условиях постоянного воздействия на организм внешних по отношению к нему факторов среды. Для плода человека это прежде всего факторы материнского организма, внутри к-рого он развивается, и, конечно, факторы среды, действующие на организм матери, а через него и на плод. Всякое нарушение процессов реализации генетической программы (генотипа) в совокупность признаков и свойств организма (фенотип) может привести к необратимым нарушениям — болезням, порокам развития и др. Жесткое детерминирование признаков генами проявляется далеко не во всех случаях, и потому генетики говорят о том, что гены, как правило, определяют не сами признаки, а норму реакции организма на изменяющиеся факторы внешней среды. В то же время из менения фенотипа, возникающие под действием окружающей среды и не закрепленные в генотипе, не наследуются потомками.