До работ Грегора Менделя не существовало научной теории, правильно объясняющей законы наследования, и, по мудрому выражению Бальзака, наследственность была «лабиринтом, из которого наука не могла найти выход».
Рождение генетики относят к 1900 г. и связывают с именем монаха Грегора Менделя. Этот скромный человек, не располагавший ни современными лабораториями, ни коллективом сотрудников, имевший в своем распоряжении только небольшой клочок земли, смог провести на первый взгляд очень простые опыты с горохом. Однако полученные им результаты и их гениальное обобщение позволили Менделю впервые сформулировать законы наследования и создать прочную основу для генной теории.
О значении для науки Менделя и его работ хорошо сказал известный американский генетик Рейвин: «Он поднялся на высочайшую ступень, представив абстрактное, но вместе с тем доступное экспериментальной проверке объяснение своих открытий. Его теоретический труд следует расценивать как создание новой биологической науки о передаче наследственных задатков от родителей потомству». Принципы наследственности, установленные Менделем, почти так же важны для биологии, как в свое время атомная теория Дальтона для химии.
В этой книге мы не будем вдаваться в сложные детали механизма наследования. Это специальная область. Читатель при желании углубить свои знания может получить эти сведения из талантливых книг Н. Лучника «Почему я похож на папу» или Шарлотты Ауэрбах «Наследственность» и других научно-популярных изданий. В этой главе мы дадим лишь краткое, элементарное описание механизма наследования, стараясь не перегружать читателя новыми понятиями и терминами.
Незыблемым законом живой природы является воспроизведение себе подобных, что позволяет сохранять преемственность между прошлым и настоящим.
Новый человеческий организм возникает в результате оплодотворения яйцеклетки (зиготы) женщины сперматозоидом (половой клеткой) мужчины. Таким образом, половые клетки являются как бы живым «мостиком», связывающим поколения между собой. Однако оплодотворенное яйцо — это только первый этап зарождающейся жизни. В процессе последующего развития оно должно пройти целую цепь сложных превращений в утробе матери, прежде чем появится на свет ребенок. Для благоприятного развития оплодотворенного яйца требуется соблюдение целого ряда условий, нарушение которых может привести к его неправильному развитию и даже гибели. Эмбриологи, изучающие интимные процессы развития зародыша человека, смогли установить, что вскоре после оплодотворения яйцо подвергается клеточному делению и превращается в многоклеточный организм. Эти клетки будут использованы как строительный материал («кирпичики») для создания тканей и органов будущего человека. Ученые считают, что к моменту рождения на формирование организма ребенка требуется около 200 миллиардов клеток. Очень важной особенностью каждой клетки является то, что она несет в себе огромный запас генетической информации. По мнению одного из исследователей, каждая клетка как бы располагает обширной библиотекой, в которой зафиксировано как прошлое человечества, так и перспектива его последующей жизни — генетическая программа индивидуального развития.
Но как же все-таки происходит наследование?
Дело в том, что клетка имеет свои особенности, объясняющие механизм передачи наследственности. В каждой клетке два главных структурных и биохимических компонента: цитоплазма и ядро. В клеточных ядрах располагаются хромосомы — нитевидные образования, являющиеся носителями генетической информации. Для здорового человека характерно постоянное количество (ровно 46), величина и форма хромосом, определяемые понятием кариотип. В ядрах соматических клеток, т. е. клеток, образующих ткани человека, содержится 23 пары хромосом. Причем 22 пары хромосом (одинаковые как для мужчин, так и для женщин) получили название аутосом. 23-я пара относится к половым хромосомам: для женщин характерно наличие XX хромосом, а для мужчин — ХУ. Таким образом, формулу хромосомного набора для женщины можно представить как 44+ХХ, а для мужчин — 44+ХУ.
У читателя может возникнуть недоумение: а каково же будет число хромосом при слиянии мужской и женской половых клеток при оплодотворении? 46+46 = 92? Нет, так не происходит! Природа, стремясь к постоянству сохранения различных представителей животного и растительного мира, «предприняла» необходимые меры. Цитологи (ученые, изучающие клетку) смогли установить, что половые клетки (гаметы), принимающие участие в оплодотворении, в своем клеточном ядре несут неполный, а половинный набор хромосом, т. е. не 46, а 23. При оплодотворении происходит восстановление хромосомного набора до 46. Для наглядности обратимся к общепринятой схеме и проследим передачу наследственного материала от родителей детям. На рисунке слева обозначен отец, для которого характерно наличие половых хромосом ХУ, а справа — мать, у которой имеются две X хромосомы — XX.
Исходная к моменту деления клетка при первом, редукционном делении образует две дочерние клетки, имеющие по 23 хромосомы каждая. При втором делении (мейотическом) образуются четыре дочерние клетки, каждая их которых также содержит по 23 хромосомы. При слиянии сперматозоида и яйцеклетки общее число хромосом удваивается и снова становится равным 46. Таким образом, будущий ребенок получает половину хромосом от матери, а другую половину — от отца. Это очень важный факт, говорящий о том, что за состояние здоровья будущего ребенка одинаково ответственны и мать, и отец.
Итак, хромосомы являются носителями генетической информации. А каков же химический состав этих таинственных образований? Этот вопрос волновал ученых многие годы, заставлял искать новые методологические пути для решения этой сложной задачи. Успех пришел в результате интенсивных научных изысканий биохимиков и физиков. Стало известным, что основным химическим компонентом хромосомы является двуспиральные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, которую сокращенно принято теперь называть ДНК. Таким образом, ДНК следует рассматривать как материальную основу наследственности в клетке.
Однако, как ни грандиозен был успех в познании сущности наследственного вещества, он все же не давал ответа на многие вопросы. Возникла необходимость в более детальном изучении строения ДНК для того, чтобы представить механизмы и закономерности записи и воспроизведения генетической информации. Здесь, видимо, следует упомянуть, что молекулярные основы наследственности были изучены не на человеке, а на мельчайших живых организмах — вирусах и бактериях. Это объясняется тем, что для химического анализа было необходимо проведение исследований на изолированной клетке. Организм же человека, как мы уже упоминали, состоит из миллиардов тесно взаимодействующих клеток, и выделение одной изолированной клетки является трудной задачей. Самым удобным объектом для этого и оказались более простые по своему строению организмы — вирусы и бактерии, клетки которых хорошо культивируются в лабораторных условиях. Проведенные исследования показали, что информация, определяющая те или иные признаки организма, заложена в отдельных участках большой молекулы ДНК. Эти участки и принято называть генами — единицами наследственности.
Известно, что гены, входящие в состав хромосом, располагаются в линейном порядке и «отвечают» за определенный признак организма. Генетиками эта особенность обобщается в своего рода формулу: «один ген — один признак». Если раньше подразумевали, что один ген «отвечает» за какой-либо определенный признак, то в настоящее время известно, что каждый ген контролирует определенную биохимическую реакцию, протекающую в организме. Формула была уточнена: «один ген — один фермент». В последующем — как пишет лауреат Нобелевской премии, один из создателей модели молекулярной структуры ДНК Дж. Уотсон — «стало ясно, что между геном и признаком не существует простого соотношения и что все сложные признаки организма контролируются многими генами». Вся совокупность генов организма, полученная от родителей, составляет его генотип. Наряду с термином «генотип» генетиками используется и другой термин, о котором читателю необходимо знать, — «фенотип». Под фенотипом подразумевается комплекс внешних признаков организма, проявляющихся в процессе жизни.
Для медиков эти понятия не абстракция. Они очень важны и могут быть использованы в диагностике целого ряда наследственных дефектов, так как для некоторых заболеваний с известным генотипом характерен свой специфический фенотип.
При этом на основании фенотипических (внешних) проявлений врач, однажды увидев ребенка с болезнью Дауна, может диагностировать это наследственное заболевание, даже не проводя специальных цитогенетических исследований.
В то же время хорошо известно, что далеко не всегда имеется четкая взаимосвязь между генотипом и фенотипом. Очень часто для наследственных заболеваний свойственен свой определенный генотип (и в этом их различие), в то время как фенотипические, внешние признаки могут быть сходными. Это значительно затрудняет для врача своевременную постановку правильного диагноза. Так, хроническое воспаление легких (ненаследственное заболевание) по своим признакам очень похоже на муковисцидоз (наследственное заболевание, обусловленное поражением поджелудочной железы). Обычный рахит, связанный с недостатком витамина D, крайне трудно бывает отличить от так называемых рахитоподобных заболеваний наследственной природы: синдром Де Тони — Дебре — Фанкони, фосфатдиабет, гипофосфатазия и др.
Каждый ген в хромосоме занимает определенное место (локус). В хромосомах одной пары (одна, полученная от матери, другая — от отца) гены, занимающие одинаковые положения и контролирующие один и тот же признак организма, называются аллельными. Следовательно, каждый организм обладает аллельными генами. Поскольку два аллельных гена контролируют один и тот же признак, например, производство одного и того же продукта (фермента, пигмента и пр.), они по отношению друг к другу находятся в конкурентных взаимоотношениях. Если, к примеру, рассмотреть наследование цвета радужной оболочки глаз, то «борьба» аллельных генов состоит в том, что один из них «пытается» окрасить глаз будущего ребенка в голубой цвет, а другой — в карий или черный. Здесь следует принять во внимание, что у каждого организма парные гены могут быть или одинаковыми, или разными. Если ребенок получил от отца и матери одинаковые парные гены, контролирующие, например, голубой цвет радужной оболочки глаз, то цвет глаз ребенка будет такой же, как у матери и отца. Такой организм, имеющий одинаковые партнерные гены, называется гомозиготным по этому признаку. В тех же случаях, когда парные гены разные, организм по этому признаку является гетерозиготным.
При этом мать может иметь глаза голубого цвета, а отец — карие. Вот трудная дилемма, возникающая перед ребенком: кому угодить — отцу или матери? К счастью, ребенок не может решить эту проблему сам, и природа не ставит перед ним этот коварный вопрос. Передача наследственного признака подчиняется точно сформулированным законам Грегора Менделя, согласно которым аллельные гены могут быть доминантные и рецессивные. Известно, что аллель, отвечающий за карий или черный цвет радужки, является доминантным (превалирующим) по отношению к рецессивному голубому. В гетерозиготном организме всегда доминирует карий цвет. Следовательно, у ребёнка будут карие глаза.
Тем не менее, могут встречаться семьи, в которых кареглазые родители имеют голубоглазых детей. Для недоумевающих супругов следует иметь в виду, что в подобных ситуациях необходимо припомнить цвет глаз своих ближайших родственников. Нередко дед или бабушка по линии матери или отца имели голубой цвет глаз, т. е. родители ребенка были гетерозиготами.
Эффект этого «голубого» рецессивного гена проявляется только в гомозиготном состоянии. Однако по внешнему виду невозможно определить, кто из двух родителей с карими глазами гомозиготен или же гетерозиготен по гену, контролирующему карий цвет глаз, ведь глаза у обоих родителей одного и того же цвета — карие.
Гены обладают и другими свойствами, которые необходимо иметь в виду. Например, ген может оказывать свое влияние не только на какой-либо один, а на многие признаки. В этих случаях генетики говорят о явлении плейотропности гена. Хорошо известно, что большинство признаков человека и животных зависит от многих генов.
Как уже упоминалось ранее, в этой главе нами не преследовалась цель дать детальное описание механизма наследования. Мы считали возможным ограничиться только самой простой схемой, минимумом понятий и терминов.
Нам хотелось показать, что наследственность, окутанная в течение многих веков тайной, познаваема и имеет материальную основу в виде заключенных в хромосомы молекул ДНК.