Изучение хромосомных перестроек дало генетикам метод исследования генотипа как системы.
Хотя хромосомы наследственно дискретны, т. е. различные их участки предопределяют развитие разных признаков и свойств организма, но вместе с тем каждая Хромосома представляет целостную систему взаимодействующих генов, сложившуюся в процессе адаптивной эволюции. Так, инверсии, которые производят изменение лишь порядка расположения генов в хромосоме, могут явиться причиной подавления кроссинговера, а также изменения действия гена. Внутрихромосомные перестройки, происшедшие в одной из хромосом, могут влиять на мутабильность генов, на кроссинговер и на доминирование. Исходя из этого, генетики уже давно пришли к представлению о том, что генотип функционирует как целостная система, характерная для каждого вида.
Прежде чем излагать относящиеся к этому явлению факты, следует остановиться на качественных различиях отдельных участков хромосомы, а именно определить, в чем своеобразие эухроматиновых и гетерохроматиновых ее районов.
Генетическое значение эухроматиновых и гетерохроматиновых районов хромосом
При описании хромосомных перестроек и сопоставлении генетических и цитологических карт было выяснено, что хромосомы состоят из генетически неравноценного материала.
Например, Х-хромосома дрозофилы, как мы знаем, генетически более активна, чем Y-хромосома, которая содержит лишь несколько нормальных аллелей гена bobbed (bb) и генов фертильности мужского пола. Однако оказалось, что не менее трети Х-хромосомы дрозофилы в генетическом отношении также является инертной, в то время как на остальные две трети Х-хромосомы приходится более 100 (из 600 известных для дрозофилы) мутантных генов.
Цитологическими методами показано, что Y-хромосома и инертный район Х-хромосомы состоят из одинакового вещества, обладающего сильным сродством к основным красителям. Поэтому в интерфазе и профазе I именно этот материал выявляется в виде темноокрашивающихся элементов. Генетически активный материал хромосом в эти периоды обладает меньшим сродством к тем же красителям. Установлено, что гетерохроматин и эухроматин отличаются друг от друга по времени синтеза ДНК (гетеросинхронная репликация).
При дальнейшем изучении выяснилось, что и другие хромосомы — аутосомы — также содержат гетерохроматиновые и эухроматиновые районы в разных пропорциях. Так, например, у дрозофилы во II и III хромосомах гетерохроматиновые районы сосредоточены вблизи центромер, а также вкраплены среди эухроматических районов по всей хромосоме.
В хромосомах различных клеток гетерохроматиновые и эухроматиновые районы выявляются по-разному. В гигантских хромосомах слюнных желез преимущественно видны эухроматиновые районы, а гетерохроматиновые районы сливаются все вместе, образуя хромоцентр. От хромоцентра радиально расходятся плечи хромосом, состоящие из эухроматинового вещества.
Установлено, что гетерохроматиновые районы в хромосомах менее прочны, в силу чего в них чаще происходят разрывы. Поэтому при инверсиях и транслокациях гетерохроматин может перемещаться и включаться в эухроматиновые районы.
Гетерохроматиновые районы хромосом не всегда несут упорядоченную генетическую информацию, в то время как эухроматиновые районы генетически дифференцированы. Хотя гетерохроматиновые районы генетически мало дифференцированы, но они оказывают влияние как на действие генов данной хромосомы, в которой они находятся, так и на функционирование генотипа в целом.
Эффект положения
Если мы до сих пор говорили о гене как самостоятельной единице, как бы независимом от занимаемого им места и от окружающих его других генов в хромосоме, то это являлось скорее методическим приемом изложения: генетик не представляет себе изолированного существования генов.
Еще в 1925 г. ближайший ученик Т. Моргана А. Стертевант, обнаружив мутацию Ваг, истолковал ее как следствие изменения положения гена в хромосоме, вызвавшего изменение проявления гена. Данное явление он предложил называть эффектом положения. Это означает, что действие гена изменяется в зависимости от его положения в системе целой хромосомы: ген изменяет свое действие в зависимости от того соседства, в котором он оказывается. Это была первая попытка рассматривать ген в системе генотипа.
Теперь же мы знаем, что изменение Bar не всегда является результатом удвоения (дупликации) одного и того же участка хромосомы, заключающего в себе аллель дикого типа, что могут происходить и мутации этого гена. Кроме того, проявление эффекта Bar вследствие удвоения участков хромосомы нельзя толковать как эффект положения, так как в строгом смысле слова эффект положения следует относить лишь к тем случаям, где свойство гена меняется в зависимости от изменения соседних генов или его положения в системе хромосомы. В случае Bar сначала предполагалась дупликация одного из участков I хромосомы (Х-хромосомы). Позднее было обнаружено, что ряд инверсий, связанных с разломом Х-хромосомы в том же участке, даже без видимой дупликации в этом районе вызывает сходный эффект.
Этими наблюдениями вновь подтверждается правильность точки зрения Стертеванта, что фенотипический эффект Bar может быть истинным эффектом положения.
В настоящее время считается общепринятым, что большинство хромосомных перестроек (инверсии, транслокации, нехватки и удвоения) если и не вызывает видимого эффекта, то затрагивает жизнеспособность, плодовитость и прочие сложные физиологические свойства организма. Эти явления лучше всего получают объяснение с точки зрения эффекта положения гена.
Разлом хромосомы, происшедший вблизи гена, вызывает эффект Положения чаще в изменении характера его доминирования. Один из убедительных примеров такого рода был получен Б. Н. Сидоровым в 30-х годах. Им наблюдалось изменение доминирования нормальной аллели рецессивного гена cubitus interruptus (ci), находящегося в IV хромосоме дрозофилы. Рецессивная мутация в гомозиготе вызывает перерыв в кубитальной жилке крыла дрозофилы, нормальная аллель этого гена в целой хромосоме полностью доминирует над мутантной. Если же в IV хромосоме происходит разрыв в непосредственной близости от нормальной доминантной аллели гена ci+ и к этому месту прикрепляется фрагмент другой хромосомы, то свойство доминирования нормальной аллели ослабляется и рецессивный ген ci, находящийся в гетерозиготном состоянии, проявляется. Это явление иногда называют эффектом Дубинина.
Б. Н. Сидоровым был установлен другой очень важный факт, а именно обратимость эффекта положения. Это было показано для рецессивного гена h (hairy), локализованного в III хромосоме. Данный ген вызывает у мухи развитие дополнительных щетинок. Ген hairy проявляется в гетерозиготном состоянии лишь при изменении его местоположения в результате транслокации между III и IV хромосомами. При возвращении его обратно в III хромосому характер проявления гена восстанавливается к исходному типу, То же самое было показано и для гена curled. Итак, эффект положения обратим. Таким образом, установлено, что изменение проявления гена может зависеть от новой внутрихромосомной «среды» без изменения структуры самого гена.
За эти годы накопилось много фактов, указывающих на то, что эффект положения является закономерным общим явлением. Изменение положения гена в результате его перемещения в хромосоме может вести:
- к изменению его действия на определяемые признаки,
- к ослаблению доминирования,
- к изменению частоты мутирования.
Повышение мутабильности некоторых генов склонны объяснять именно эффектом положения. Не исключено, что большинство возникающих мутаций можно рассматривать как эффект положения нормальной аллели в результате мелких хромосомных изменений (микроинверсий, микроделеций, микродупликаций).
Эффект положения предлагается разделять на два типа: устойчивый и неустойчивый. К устойчивому типу относят такой эффект, при котором нормальная аллель, перенесенная в новое место хромосомы, стабильно сохраняет свое новое внешнее проявление. Приведенные выше примеры относятся к устойчивому типу эффекта положения.
К типу неустойчивого эффекта положения относят нестабильное состояние нормального гена в результате его перемещения ближе к гетерохроматиновому району. Примером такого типа эффекта положения служит ген white у дрозофилы, находящийся в половой хромосоме. Эти явления тщательно исследовались у нас в стране В. В. Сахаровым, Н. И. Нуждиным и др. Если рецессивная мутация w находится на своем месте в хромосоме, а ее нормальная доминантная аллель w+ в результате хромосомной перестройки перемещается близко к гетерохроматиновому району, то в этом случае проявляется мозаичный эффект (светлые пятна на общем фоне красной окраски глаз). Рецессивная мутация гена w выявляется в гетерозиготном состоянии в силу ослабления доминирования нормальной аллели, но это состояние нестабильно. Указанное явление убеждает в том, что доминирование гена зависит от свойства самого гена, его положения в хромосоме и близости гетерохроматинового района. Нестабильность проявления гена объясняется влиянием гетерохроматинового района, в котором чаще происходят разрывы, поэтому возникающая в соматических клетках мозаичность может быть связана с проявлением эффекта положения.
Это очень интересное явление может иметь отношение к наследованию предрасположенности к раковым заболеваниям органов и тканей человека, а также к проблеме старения. Предполагают, что многие летальные мутации, возникающие под влиянием ионизирующих излучений, также являются следствием разрывов хромосом и наличия эффекта положения.
Удовлетворительного объяснения явлению эффекта положения пока не дано. Его изучение является проблемой будущего, решение которой может преодолеть формализм в толковании целого ряда генетических явлений, так как эффект положения позволяет рассматривать ген как функциональную генетическую единицу.