Мутация — это изменение в гене, которое, в свою очередь, приводит к изменению процесса развития.
Вызовет ли это изменение видимый результат, и когда этот результат сможет выявиться, будет зависеть от типа мутации и типа клетки, в которой эта мутация произошла.
Мутации могут возникать в любой клетке организма. С точки зрения интересующих нас вопросов все клетки можно разделить на два тина. Первый тип состоит из половых, или зародышевых клеток, т. е. из гамет и клеток, образующих гаметы в половых железах, или гонадах. Второй тип состоит из всех остальных клеток тела.
Начнем со второго типа и рассмотрим мутацию, которая произошла в одной из клеток растущего организма, например в клетке растения, из которой в дальнейшем вырастет ветка. Сначала появится только одна клетка, содержащая мутировавший ген; затем эта клетка разделится на две, две клетки разделятся на четыре и т. д. до тех пор, пока не образуется целая ветка с листьями, цветами и плодами. При каждом клеточном делении хромосомы удваиваются и каждая из двух дочерних клеток получает совершенно одинаковые хромосомы. Если одна хромосома несет новый мутировавший ген, то удваиваться будет не исходный, а новый ген, так что в конечном итоге он будет присутствовать во всех клетках выросшей ветки. Если новый ген способен вызывать видимый эффект, появится так называемый спорт, например ветка с белыми ягодами на кусте красной смородины. Спорты часто можно размножать отводками. Некоторые новые плодовые культуры, например виноград без семян, а также ряд сортов яблок и груш, были получены из спортов.
У животных в процессе развития тоже может возникнуть мутация. Ее видимое проявление называется не спортом, а мозаиком; так, человек с одним карим и одним голубым глазом представляет собой мозаика. У птиц известны очень эффектные мозаики, как, например, у попугайчика-неразлучника, у которого мутация, вызывающая голубое оперение, возникла, очевидно, в одной из двух первых клеток развивающегося яйца.
Не всякая мутация, возникающая в ходе развития, приводит к появлению видимых спортов или мозаиков. Это объясняется рядом причин. Во-первых, мутировавший ген проявляет свое действие только в определенных типах клеток. Так, совершенно очевидно, что мутация окраски глаза может проявиться только в глазу, и если она произойдет, например, в сердце или легких зародыша, ее нельзя будет обнаружить. Во-вторых, рецессивная мутация, даже если она возникнет в соответствующей клетке, не сможет проявить своего действия в присутствии нормального гена-партнера. Между тем известно, что мутация столь исключительно редкое событие, что вероятность одновременного мутирования двух генов-партнеров в одной и той же клетке совершенно ничтожна. Следовательно, рецессивная мутация может вызвать появление спорта или мозаика только в том случае, если она случайно возникнет в клетке, уже несущей мутировавший ген-партнер. Это легко может произойти, поскольку многие организмы несут рецессивные гены, появившиеся в результате мутации, быть может, миллионы лет назад и с тех пор присутствующие у данного вида. Действие их проявляется в тех случаях, когда индивид несет два одинаковых гена; в других случаях оно маскируется действием нормального гена-партнера. Так, рецессивная мутация, вызывающая голубую окраску глаз, должна была неоднократно возникать в ходе эволюции человека, и многие люди с карими глазами несут скрытый ген голубых глаз.
Рисунок показывает, каким образом мутация, вызывающая голубую окраску глаз и возникшая в одной из первых двух клеток развивающегося зародыша, приводит к появлению мозаика в тех случаях, когда зародыш уже несет один ген голубых глаз. В тех случаях, когда зародыш несет два гена карих глаз, мозаичность не проявляется.
Большинство случаев мозаичности по карей и голубой окраске глаза обусловлено, однако, не мутацией, а геном с тенденцией к асимметричному проявлению.
Оставит ли спорт или мозаик мутантное потомство, будет зависеть от того, присутствует ли мутировавший ген хотя бы в некоторых половых клетках. Мозаики были найдены у кроликов, крыс, мышей, морских свинок и птиц, но большинство из них не передавали мутировавший ген потомству.
Рассмотрим теперь мутации, возникающие в половых клетках. Они не могут затрагивать тот организм, в котором они возникли, и могут влиять только на его потомство. В этом случае мутировавший ген передается потомству и распространяется в популяции. Как первое видимое появление мутации, так и способ ее передачи, зависят от того, является ли она доминантной или рецессивной. Ниже мы приводим примеры обоих типов мутаций. Начнем с описания того, что происходит, когда в половой клетке возникает доминантная мутация.
Принято названия доминантных мутаций начинать заглавными буквами, а названия рецессивных мутаций — маленькими буквами.
Под влиянием доминантного гена «курчавости» перья у домашних кур становятся курчавыми. Рисунок показывает происхождение и передачу новой мутации, вызывающей «курчавость» и возникшей в половых клетках петуха или курицы.
Родословная семьи кур, в которой возникла доминантная мутация «курчавости»
Можно легко убедиться, что новый ген «курчавости» передается от родителя к потомку без всяких пропусков, в результате чего появляется целая цепь поколений курчавых кур. У всех кур, получивших ген «курчавости» либо через яйцеклетку, либо через сперматозоид, развивается курчавое оперение, которое они передают половине своего потомства. Если ген «курчавости» достаточно широко распространился в стаде, может произойти скрещивание между двумя «курчавыми» особями. Такая комбинация не изображена на рисунке, но нетрудно себе представить результат подобного скрещивания. Некоторые цыплята получат два гена «курчавости» — один от отца, другой от матери. Так как ген «курчавости» почти полностью доминантен, оперение таких цыплят будет лишь немногим более курчавым, чем у цыплят с одним нормальным и одним мутировавшим геном. Поскольку они образуют только гаметы, несущие мутировавший ген, все их потомство будет курчавым.
Таким образом, доминантная мутация обнаруживается в непосредственном потомстве особи, у которой она впервые появилась в половых клетках. Мутация проявляется у каждой особи, получившей мутировавший ген от отца или от матери, но не обязательно от обоих. Если ген получен только от одного из родителей, он будет передан половине потомства, если он получен от обоих родителей — всему потомству. Поскольку действие доминантного гена не может быть замаскировано действием его нормального гена-партнера, нормальная по своему внешнему виду особь не может нести доминантный ген. В родословной, представленной на рисунке, ген «курчавости» отсутствует во всех линиях, восходящих к нормальным по внешнему виду курам.
Другим примером доминантного гена, возникшего, вероятно, путем мутации, может служить ген комолости, встречающийся в некоторых стадах крупного рогатого скота, например у абердин-ангусского. Д-р Джонсон в своей книге «Путешествие на западные острова Шотландии» пишет: «Среди местного черного скота некоторые животные лишены рогов. Шотландцы называют их покорными, гак же как мы называем покорными пчел, лишенных жал. Нам не удалось выяснить, является ли это различие постоянным или случайным, хотя мы старались это сделать с величайшей добросовестностью… Никто не пытался проследить, каков будет результат скрещивания рогатого и комолого скота, очевидно, считая это недостаточно интересным для наблюдения». А между тем нашлись люди, считавшие это «достаточно интересным». Мы знаем, что ген комолости доминирует над своим партнером рогатости, поэтому скрещивание между рогатыми животными и комолыми абердин-ангусскими дает комолое потомство. Потомки такого скрещивания несут один ген рогатости и один ген комолости: если их повторно скрещивать с рогатыми животными, они, в свою очередь, дадут как рогатых, так и комолых потомков.
Когда в половой клетке возникает рецессивная мутация, ее судьба будет совершенно отлична от судьбы доминантной мутации, так как рецессивный ген не может проявиться в присутствии своего нормального партнера. Только особи с двумя мутировавшими генами-партнерами проявят мутацию. Такие особи могут появиться лишь после того, как новый ген с течением времени достаточно широко распространится в популяции.
Родословная семьи черных спаниелей, в которой возникла рецессиная мутация рыжей окраски шерсти
Рисунок иллюстрирует судьбу рецессивной мутации рыжей окраски шерсти, возникшей в семье черных спаниелей.
Отличия между рисунками разительны. В родословной кур курчавый цыпленок развивается из первого же мутировавшего яйца или сперматозоида. В родословной собак первый рыжий спаниель появляется через несколько поколений после того, как произошла мутация. В родословной кур каждая курчавая птица имеет курчавого родителя. У рыжего щенка оба родителя черные. У кур особи с нормальным оперением не несут мутантного гена и дают только нормальное потомство. У собак черное животное может нести ген рыжей окраски и в этом случае при скрещивании с другими животными — носителями гена рыжей окраски — может дать рыжих щенков.
Таким образом, рецессивная мутация не проявляется в непосредственном потомстве особи — самца или самки, в чьих половых клетках она впервые возникла, поскольку мутировавший ген проявляется только у индивидов, получивших ее от обоих родителей. Особи, получившие мутировавший ген только от одного из своих родителей, представляют собой внешне нормальных «носителей» рецессивного гена. Подобно внешне мутантным носителям доминантного мутировавшего гена они передают новый ген половине своих потомков, которые, в свою очередь, являются носителями и передают ген половине своих потомков. Это продолжается до тех пор, пока не встретятся два носителя, у которых появятся потомки, несущие одновременно два мутантных гена. Только тогда можно будет обнаружить мутацию. В родословной, представленной на рисунке, это случилась у праправнуков того кобеля, у которого впервые появился мутировавший сперматозоид. Это могло произойти и раньше, но не ранее чем у правнуков, среди которых имеются носители — кобель и сука.
Вероятность скрещивания между двумя носителями одного и того же рецессивного гена выше, когда оба животных принадлежат к одной семье. Это объясняет, почему родственное скрещивание (инбридинг), включая браки между кузенами, может выявить скрытые рецессивные гены.
Так, в собачьем питомнике, разводящем ирландских сеттеров, исключительно большое число щенят рождалось с нарушением зрения, рано или поздно приводящим к слепоте. Оказалось, что этот дефект был вызван рецессивным геном, который получил широкое распространение в данной популяции, потому что почти все собаки — выставочные 30-х годов — происходили от носительницы этого гена — суки Реола Дидона, родившейся в 1920 г. Судьбу мутировавшего гена можно проследить по восходящей линии до ее отца и деда, которые оба были носителями. Когда точно возникла мутация, установить невозможно.
В некоторых стадах крупного рогатого скота широко распространились летальные гены, вызывающие различные ненормальности у новорожденных телят, которые были потомками прославивших себя производителей, но эти производители случайно несли подобный ген.
Во многих породах овец черная окраска обусловлена рецессивным геном. Иногда в стаде белых овец родится черный ягненок. Очевидно, и овца, и баран, от которых родился этот ягненок, были носителями рецессивного гена. Мутация, вследствие которой впервые появился этот ген, вероятно, возникла очень давно.
Существует, наконец, еще один тип мутаций, которые ведут себя как рецессивные у одного пола и как доминантные у другого. Это так называемые сцепленные с полом рецессивные мутации. Для того чтобы понять, как обнаруживаются и передаются сцепленные с полом мутации, мы должны немного познакомиться с генетической основой пола.
У многих организмов пол определяется одной особой парой хромосом — половыми хромосомами. У человека, всех млекопитающих и многих других видов самка имеет две одинаковые половые хромосомы, именуемые Х-хромосомами. Самец имеет одну Х-хромосому и одну непарную хромосому-партнера, именуемую Y-хромосомой. Последняя пара хромосом на рисунке представляет собой Х-хромосомы человека.
Рисунок показывает самца и самку маленькой плодовой мушки Drosophila melanogaster, при помощи которой были сделаны многие важнейшие генетические открытия и которая до сих пор широко используется в генетических исследованиях.
Подобно всем другим хромосомам, половые хромосомы принимают участие в танце, предшествующем образованию гамет. У самки дрозофилы, так же как у женщины, две Х-хромосомы соединяются и вновь разъединяются в танце, так что каждое яйцо получает одну из них. У самца дрозофилы, так же как у мужчины, Х-хромосома соединяется с Y-хромосомой, и каждый сперматозоид получает либо Х-, либо Y-хромосому. Таким образом, через яйцеклетку каждый ребенок получает от своей матери Х-хромосому; через сперматозоид он получает либо Y-, либо Х-хромосому. В первом случае появится мальчик, во втором случае — девочка.
Передача половых хромосом от родителей детям
Рисунок показывает, каким образом половые хромосомы передаются от родителей детям: девочка получает от обоих родителей Х-хромосому, мальчик получает от матери Х-хромосому и от отца Y-хромосому.
Значительно более важным, чем различия между X- и Y-хромосомами по величине и форме, являются их различия по генному содержанию. Х-хромосома несет много генов; некоторые из них связаны с определением пола, другие не имеют к этому никакого отношения. Гены, расположенные в Х-хромосоме, и возникающие в них мутации называются сцепленными с полом. Мужчина, так как самец дрозофилы, получает все свои сцепленные с полом гены от матери, Женщина, гак же как самка дрозофилы, получает сцепленные с полом гены от обоих родителей. Y-хромосома несет очень небольшое число генов; в частности, в ней нет соответствующих партнеров для сцепленных с полом генов Х-хромосомы. У видов с таким типом определения пола сцепленный с полом ген будет всегда проявлять свое действие у самца, вне зависимости оттого, является ли он доминантным или рецессивным. У самки такого вида сцепленный с полом рецессивный ген будет вести себя точно так же, как любой другой рецессивный ген, т. е. он будет проявляться только у особей, несущих мутировавший ген в обеих Х-хромосомах.
Хорошим примером сцепленного с полом рецессивного гена у человека может служить цветная слепота (дальтонизм). Эта ненормальность чаще встречается у мужчин, чем у женщин, так как каждый мужчина, получающий мутировавший ген от матери, будет дальтоником, в то время как женщина будет дальтоником только в том случае, если она получит мутировавший ген от обоих родителей.
Гемофилия, или кровоточивость, представляет собой другую ненормальность, обусловленную рецессивным сцепленным с полом геном. У людей, страдающих этой болезнью, кровь не свертывается на воздухе. Даже самая незначительная рана может иметь серьезный или роковой исход. Все гемофилики — мужчины, а ген передается по виду здоровыми женщинами. Теоретически женщины-гемофилики могут появиться в потомстве мужчины-гемофилика и женщины — носительницы гемофилии, однако такие браки очень редки и до сих пор женщин-гемофиликов не обнаружили. Новые мутации гемофилии возникали в некоторых семьях.
Наследование гемофилии (кровоточивости)
На рисунке показано, как обнаруживается и передается такой новый мутировавший ген. Если мутация возникла в яйцеклетке, которая была оплодотворена сперматозоидом, несущим Y-хромосому, то зародыш превращается в мальчика-гемофилика. Если мутировавшая яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, несущим Х-хромосому, появляется нормальная по внешнему виду девочка-носительница. Такая девочка может появиться в результате оплодотворения нормальной яйцеклетки мутировавшим сперматозоидом. Когда девочка-носительница станет взрослой, у нее будут образовываться яйцеклетки двух типов: половина из них будет нести Х-хромосому с геном гемофилии, другая половина — Х-хромосому с его нормальным геном-партнером. Таким образом, половина ее детей унаследуют ген гемофилии; если это будут мальчики, все они будут гемофиликами; если это будут девочки, они будут здоровыми носительницами, подобно их матери. Сперматозоид с Y-хромосомой не может нести ген гемофилии, поскольку у него отсутствует Х-хромосома с исходным геном, из которого путем мутации возник ген гемофилии. Таким образом, мужчина никогда не может унаследовать гемофилию от своего отца.