Глава 6. Законы наследования

К сожалению, наследование цвета глаз в действительности не столь уж элементарно, как это было описано в предыдущей главе. Если бы оно было таким простым, люди, возможно, заметили бы способ, с помощью которого цвет глаз наследуется, намного раньше, чем они сделали это в реальной жизни. Вероятно, имеются гены, помимо генов голубых глаз и карих глаз. Возможно, другие гены в других местах и на других хромосомах также вовлечены в этот процесс. Все мы знаем, например, что есть глаза промежуточного цвета. Есть светло-карие глаза, голубые глаза с карими крапинками, зеленовато-голубые глаза и серо-голубые глаза.

Все это усложняет изучение наследования цвета глаз.

Другие физические характеристики, о которых мы упоминали в главе 3, имеют еще более сложные отношения к генам. Рост человека, форма его черепа, цвет его кожи — все физические характеристики, которые наиболее часто использовались в определении расы, вовлекают, по всей вероятности, больше чем один ген.

Ученые не обнаруживали правила наследования, наблюдая за людьми. Это было бы слишком сложно. Вместо этого родилась наука генетика вместе с работами австрийского монаха по имени Грегор Мендель.

Грегор Мендель любил выращивать растения в монастырском саду. В частности, он производил эксперименты с различными сортами гороха.

Есть несколько преимуществ работы с растениями вообще и с горохом в частности. Растения не бегают взад и вперед и не борются друг с другом, их кормление не составляет особых проблем. Кроме того, они могут быть скрещены любым способом, каким только пожелает экспериментатор. То есть он может взять пыльцу от цветка одного растения и поместить ее на пестик другого растения. Пыльца содержит клетки, подобные клеткам спермы у животных; пестик содержит клетки, подобные яйцеклеткам животных. Скрещивая растения, экспериментатор получает оплодотворенную яйцеклетку, которая развивается сначала в семя (которое является горошиной в случае гороха), а затем, когда семя высажено, в новое растение.

Особенное преимущество гороха состоит также в том, что он обладает несколькими заметными характеристиками, каждая из которых контролируется двумя аллелями единственного гена. (Мендель этого, конечно, не знал. Это был просто его счастливый случай.)

Горох, например, обладает геном, который мы могли бы назвать геном формы семени. Если растение обладает одним аллелем такого гена, горошина, произведенная растением, будет гладкой. Назовем этот аллель геном гладкой горошины. Если растение обладает вторым аллелем этого гена вместо первого, горошина будет морщинистой. Назовем его геном морщинистой горошины.

Мендель обнаружил, что если он скрестит растение гладкого типа с другим таким же растением, то весь полученный в результате горох будет гладким. Если он скрещивал два растения морщинистого типа, то весь полученный горох оказывался морщинистым. Это, конечно, никого бы не удивило.

Однако когда он скрестил растение гладкого типа с растением морщинистого тина, все; получившиеся горошины оказались гладкими. Никаких морщинистых горошин не было вообще. (Таким образом он обнаружил, что ген гладкой горошины был доминантным но отношению к гену морщинистой горошины.)

Более того, когда Мендель скрестил этот полученный им смешанный тип с таким же типом, он нашел, что произведенный горох оказался преимущественно гладким. Некоторая часть горошин, однако, была морщинистой. (Он обнаружил, что рецессивный ген мог оказаться полностью не проявляющимся к одном поколении, но при этом он может проявить себя в последующем поколении.)

Мендель записал все эти факты и еще многие другие. Он изложил описание своих экспериментов и напечатал все это в научном журнале. Это было в 1866 г. К сожалению, и то время никто не обратил особого внимания на эти исследования. Научный журнал был незначительный, и эксперименты с горохом, видимо, не были особенно захватывающими.

Однако более чем через тридцать лет после смерти Менделя другие ученые, которые интересовались механикой наследования, обнаружили его труды. Они сразу поняли, что этот никому не известный человек уже проделал всю фундаментальную работу.

Приятно отметить, что уже давно умершему австрийскому монаху все же воздали должное. И сегодня правила, которые управляют наследованием физических характеристик, называются законами Менделя.

Как мы уже сказали выше, горох смешанного гладко-морщинистого тина, будучи скрещенным с таким же, произвел главным образом гладкие горошины, но также и некоторое количество морщинистых. Есть ли какой-либо способ узнать, сколько горошин каждого типа будет сформировано?

Ответ — да. Чтобы объяснять его, позвольте нам вернуться к генам.

Клетки растения, подобно клеткам животного, имеют хромосомы и гены. Горох, который вырастает в результате скрещивания типа морщинистого гороха с типом гладкого гороха, имеет оба аллеля гена формы семени в своих клетках. Ген морщинистого гороха (обозначим его буквой W) находится на одной специфической хромосоме, а ген гладкого гороха (обозначим его буквой S) находится на хромосоме-близнеце. Такое растение — гетерозиготное. Каждая клетка содержит и S и W.

Горох производит клетки, которые являются эквивалентными яйцеклеткам животных, а также и другие клетки, которые эквивалентны клеткам спермы. (Давайте называть их просто женскими клетками и мужскими клетками.) Оба тина образуются в процессе мейоза, во время которого пары хромосом разделяются. Как и у людей, одна из каждой иары хромосом попадает в одну клетку, в то время как другая из пары попадает во вторую клетку.

Когда репродуктивная клетка гетерозиготного типа SW подвергается мейозу, S-ген одна хромосома относит в одну клетку и W-ген другая хромосома относит во вторую клетку. Результат — то, что получаются два тина женских клеток, произведенных в равных количествах, одна содержит S, а другая содержит W. То же самое верно и в отношении мужских клеток.

Теперь предположим, что мы позволяем гетерозиготному растению типа SW оплодотворять самого себя. Четыре различных типа оплодотворения могут в данном случае иметь место. Мужская клетка, содержащая S, может оплодотворить женскую клетку, содержащую S; мужская клетка, содержащая S, может оплодотворить женскую клетку, содержащую W; мужская клетка, содержащая W, может оплодотворить женскую клетку, содержащую S; мужская клетка, содержащая W, может оплодотворить женскую клетку, содержащую W.

Мы можем составить небольшую таблицу того, что получится в результате:

Муж. клетка — Жен. клетка — Оплод. яйцеклетка — Фенотип

S — S — SS — Гладкий

S — W — SW — Гладкий

W — S — WS — Гладкий

W — W — WW — Морщинистый

Заметьте, что тип SW или WS производит гладкий горох, потому что S является доминантным по отношению к W.

Заметим, что может получиться любой из этих четырех исходов. Нет никакой причины для того, чтобы один результат встречался чаще, чем другой. Результатом этого в конечном счете является то, что четыре типа оплодотворения имеют место в равных пропорциях. Три из них, однако, вызывают фенотип гладких горошин и только один — морщинистых горошин. Это — общее правило: когда гетерозиготные растения скрещены друг с другом, то доминантная характеристика проявляется в три раза чаще, чем рецессивная. В обсуждаемом нами случае три гладких растения гороха приходятся на каждое морщинистое. Распределение в пользу гороха с гладкими горошинами — три к одному.

Иногда случается, что ни один из двух аллелей специфического гена не является в действительности доминантным. Например, есть цветок, называемый но-латыни Mirabilis jalapa, у которого существуют несколько подобных типов. Один тип имеет красные цветы, другой белые. Когда красный тип и белый скрещиваются, получающиеся растения имеют розовые цветы. Этот исход называют неполным доминированием. (Неполное доминирование часто имеет место и у человеческих характеристик и усложняет многие вопросы.)

Когда розовые цветы скрещиваются друг с другом, получаются четыре возможные комбинации генов красной расцветки (R) и генов белой расцветки (W) — RR, RW, WR, и WW. В итоге растения имеют красные цветы, розовые цветы и белые цветы. Так как имеется одна комбинация, которая дает красные цветы (RR), и одна комбинация, которая дает белые (WW), — оба варианта будут произведены в равных количествах. Есть также две комбинации, которые дают розовые цветы (RW и WR); так что в итоге будет вдвое больше розовых цветов, чем красных или белых.

Все виды подобных проблем могут быть решены разработкой различных комбинаций генов. Мы можем решить их, ни разу не взглянув на сам горох. Менделю, однако, приходилось значительно труднее, как и любому первопроходцу. Он никогда не слышал о генах и аллелях. Когда он скрещивал различные типы растений, то вынужден был подсчитывать каждое из тысяч полученных растений и сортировать их по различным характеристикам для того, чтобы открыть свои законы.

Но в пересчете больших количеств есть и свое преимущество. Какой конкретный аллель гена присоединится к другому какому-то аллелю гена в процессе оплодотворения, является вопросом случайности, подобной той, что возникает при подбрасывании монеты. О том, что подброшенная монета имеет равные шансы упасть вверх решкой или орлом, все мы знаем. В долгосрочной перспективе почти точно половина наших бросков закончится падением решкой вверх. Большее или меньшее отклонение от абсолютно равного распределения не будет иметь значения, если общее количество бросков является большим, но будет иметь значение, если общее количество бросков небольшое. Если вы бросаете монету всего дважды, вы можете не получить ни одного падения решкой вверх. Даже если вы бросаете монету десять раз, вы можете не получить ни одного падения решкой вверх. С сотнями или тысячами бросков, однако, становится все более вероятно, что орлы и решки выпадут в более или менее равном количестве.

То же самое относится и к распределению в пользу доминантных генов. Тысяча побегов гороха, полученных от скрещенных гетерозиготных растений, могла бы разделиться на 742 растения гладкого типа и 258 растений морщинистого типа. Это не в точности три к одному, но при таких больших числах отклонение от пропорции в восемь или десять единиц в ту или иную сторону не имеет особого значения. Эта пропорция все еще очень близка к отношению три к одному. Фактически, скрещивания этого типа всегда дают результаты, которые являются очень близкими к тому, что вы бы ожидали, рассматривая лишь возможные комбинации гена. Это — веский аргумент в пользу того, что теория гена является правильной. Вы не получили бы от неправильной теории столь точных данных.

Но что, если каждое скрещивание производит лишь очень небольшое потомство, как это имеет место у людей? Предположим, что два родителя, гетерозиготные по карим глазам, имеют четверых детей. Можем ли мы ожидать, что трое из них точно будут иметь карие глаза (доминантная характеристика) и один — голубые? Не обязательно. Число для этого является слишком маленьким. Мы не можем положиться на законы Менделя, рассматривая небольшое количество случаев, так же как мы не можем убедиться в том, что четыре броска монеты будут всегда завершаться двумя падениями решкой вверх и двумя падениями орлом вверх.

От гетерозиготных кареглазых родителей могут родиться кареглазые и голубоглазые дети в любом сочетании. Комбинация трех кареглазых и одного голубоглазого наиболее вероятна и происходит почти в половине случаев. Другие комбинации, однако, тоже имеют право на существование.

Так, например, если вы возьмете 256 случаев, в которых гетерозиготные родители имеют по четверо детей в каждом случае, вы могли бы обнаружить, что в 108 случаях было бы три кареглазых ребенка и один голубоглазый ребенок. В 81 случае, однако, все четыре ребенка могли бы быть кареглазыми. В 54 случаях два могли бы быть кареглазыми и два голубоглазыми. В 12 случаях мог бы быть один кареглазый и три голубоглазых. И в одном случае все четверо могли бы быть голубоглазыми.

Числа, приведенные нами выше, получены при использовании ветви математики под названием теория вероятности. Она имеет дело с проблемами, которые рассматривают случайные события, вроде результатов подбрасывания монеты. Так как ответ на вопрос «Какая конкретно клетка спермы оплодотворит какую конкретно яйцеклетку?» зависит, как мы увидели, от случая, то теория вероятности очень часто используется в науке генетике.

Теперь давайте рассмотрим два гена, каждый с его собственным набором аллелей. Есть две возможности их расположения: эти два гена могли бы быть на различных хромосомах или они могли бы быть в различных местах на той же самой хромосоме.

Предположим, что они находятся на двух различных хромосомах. Это случай, подобный тому, который рассмотрен на примере гороха Менделя. В дополнение к генам формы семени с геном гладкой горошины и геном морщинистой горошины имеются также гены цвета семени. Ген цвета семени также включает два аллеля. Один из них приводит к желтому цвету горошины (ген желтой горошины), другой приводит к зеленому цвету горошины (ген зеленой горошины). Ген желтого гороха является доминантным по отношению к гену зеленого гороха.

Если мы возьмем растение, которое дает гладкие зеленые горошины, и скрестим его с растением, которое дает морщинистые желтые горошины, то все полученные в результате семена будут гладкими и желтыми. Их гладкость и желтизна являются доминантными. Растения, выращенные от этого гороха, однако, будут гетерозиготными в обоих отношениях. Они будут содержать ген-аллель морщинистого гороха гена формы семени и ген-аллель зеленого гороха гена цвета семени. Эти рецессивные гены невидимы, но они все равно находятся в организме и обнаружатся в будущем потомстве.

Когда эти гетерозиготные растения сформируют женские клетки и мужские клетки, хромосомы, как обычно, разделятся. К какому концу клетки какая хромосома каждой пары отойдет, является просто вопросом случая. Одна женская клетка может оказаться с геном морщинистой горошины и геном желтой горошины, другая с геном гладкой горошины и геном зеленой горошины, третья с геном морщинистой горошины и геном зеленой горошины, и четвертая с геном желтой горошины и гладкой горошины. То же самое случается и с мужскими клетками.

Когда гетерозиготные растения скрещиваются друг с другом, может иметь место любая комбинация мужских и женских клеток. Результатом этого будет то, что сформируются все виды гороха. Можно даже выяснить количество каждого вида, который был бы получен. Если мы внесем в список все варианты объединения мужских и женских клеток, окажется, что у 9 из каждых 16 сформированных растений горошины будут гладкими и желтыми, у 3 они будут гладкими и зелеными, еще у 3 будут морщинистыми и желтыми и у 1 будут морщинистыми и зелеными.

Когда две или более различные характеристики наследуются от родителей потомством во всех возможных комбинациях, они, как говорят, показывают независимое распределение.

Но что получилось бы, если бы ген формы семени и ген цвета семени были бы на одной и той же хромосоме?

Предположим, что ген-аллель гладкой горошины одного гена и ген-аллель желтой горошины другого гена были бы на одной хромосоме гетерозиготного растения. Ген морщинистой горошины и ген зеленой горошины были бы на хромосоме-близнеце этой хромосомы. В течение мейоза, когда хромосомы делятся, ген желтой горошины всегда шел бы вместе с геном гладкой горошины, поскольку они находятся на той же самой хромосоме. По той же самой причине ген морщинистой горошины всегда шел бы с геном зеленой горошины. Если бы это было так, горох от скрещивания гетерозиготных растений всегда был бы или гладким и желтым, или морщинистым и зеленым. Никаких горошин, которые бы были гладкими и зелеными или морщинистыми и желтыми, просто не было бы.

Когда две характеристики всегда или почти всегда наследуются вместе, можно подозревать, что их гены расположены на одной и той же хромосоме. Такие характеристики, как говорят, являются связанными характеристиками. Были предприняты определенные попытки, чтобы выяснить, какие человеческие характеристики могут быть связаны этим способом, но ситуация оказалась очень усложненной, и многое здесь остается неясным.

Есть, однако, один тип связанных характеристик полностью отличного типа, он, как известно, имеет место и у растений и у животных (и у людей тоже). Сейчас мы перейдем именно к нему.

Вы, может быть, помните, что мы говорили о том, что хромосомы мужчины и женщины отличаются. Женщины имеют 24 совершенные пары хромосом, включая две Х-хромосомы. Мужчины имеют 23 совершенные пары и одну несовершенную пару. Несовершенная пара состоит из Х-хромосомы и чахлой Игрек-хромосомы. Y-хромосома несет не много генов (если вообще несет), и это — источник больших неприятностей для мужского пола.

Ген, расположенный на 24-й паре хромосом, отвечает за способность человеческого глаза различать красный и зеленый цвета. Несовершенный аллель, принадлежащий к тому же самому гену, не способен управлять этим типом цветного зрения. Когда этот несовершенный ген — единственный ген, которым человек обладает, несущий его индивид не может отличить красный цвет от зеленого. Он является геном цветовой слепоты (дальтонизма). Давайте обозначим нормальный ген буквой N, а ген цветовой слепоты буквой С.

Мужчина, который не может отличить красный от зеленого, обладает геном С на одной хромосоме в его 24-й паре хромосом. Если бы он имел в дополнение к нему также и нормальный ген, все было бы прекрасно; но он его не имеет. Другая хромосома 24-й пары — Y-xpoмосома, которая не имеет ни одного аллеля этого гена, а возможно, и генов вообще. Давайте называть Y-хромосому просто Y для краткости.

Комбинация генов мужчины с цветовой слепотой, таким образом, CY.

Мужчина с цветовой слепотой произведет два вида клеток спермы. Одна группа клеток получит нормальную 24-ю хромосому, несущую ген цветовой слепоты. Это будет клетка спермы тина С. Другая группа получит Y-хромосому вообще без какого-либо гена цветного зрения. Это будет клетка спермы Y. Обе клетки спермы, конечно, будут сформированы в равных количествах.

Затем мы предположим, что этот человек женится на женщине С нормальным цветным зрением. Обе хромосомы ее 24-й пары имеют нормальный ген; так что она — NN. Все ее яйцеклетки в этом отношении те же самые. Все имеют нормальный ген N.

Как будут сформированы оплодотворенные яйцеклетки? Или клетка спермы С оплодотворяет N-яйцеклетку, или клетка спермы Y оплодотворяет N-яйцеклетку. Оплодотворенные яйцеклетки будут все или NC, или NY.

Вы, возможно, помните из предыдущей главы, что оплодотворенная яйцеклетка, содержащая Y-хромосому, всегда развивается в мужчину. Все оплодотворенные яйцеклетки NY развиваются в мальчиков. Мы видим, что, когда мужчина с цветовой слепотой имеет сыновей от нормальной жены, все они нормальны. Ни один из них вообще не имеет гена цветовой слепоты; и ген цветовой слепоты, соответственно, не может проявиться среди их потомков.

Когда оплодотворенная яйцеклетка не имеет Y-хромосомы, она всегда развивается в женщину. Все дети NC поэтому девочки, и все девочки — гетерозиготны. К счастью, нормальный ген является доминирующим но отношению к гену цветовой слепоты. По этой причине дочери мужчины с цветовой слепотой и нормальной женщины могут видеть цвета совершенно нормально. Однако, в отличие от сыновей от этого брака, дочери обладают геном цветовой слепоты и могут передать его своим детям.

Предположим, например, что одна из этих гетерозиготных девочек (NC) в конечном счете выходит замуж за нормального мужчину с одним хорошим геном цветного зрения и конечно же с одной Y-хромосомой (NY). Что случается дальше? Девушка производит два типа яйцеклеток, один тип — N и другой — С, равного количества. Мужчина производит два типа клеток спермы, один тип — N и другой — Y, равного количества.

Возможными оплодотворенными яйцеклетками тогда будут NN, NC, NY и CY. Дочери этого брака будут без Y-хромосомы. Они будут или NN или NC. NN-девочки будут совершенно нормальны. NC-девочки видят цвет совершенно так же, но они — гетерозиготны. Они обладают геном цветовой слепоты.

Мальчики от этого брака будут иметь Y — xpoмосому. Они будут или NY, или CY. Мальчики NY будут совершенно нормальны. Мальчики CY будут больны цветовой слепотой.

Этот процесс может продолжаться в следующих поколениях. Всегда именно мальчик будет страдать цветовой слепотой, и практически никогда ее не будет иметь девочка. Однако именно девочка, а не мальчик будет передавать своим детям ген цветовой слепоты.

Возможно, конечно, что и девочка может страдать ^цветовой слепотой, если случится так, что она будет иметь сразу два гена цветовой слепоты (СО. Это может произойти, если мужчина с цветовой слепотой женится на женщине, отец которой страдал цветовой слепотой и которая, таким образом, является носителем гена цветовой слепоты. Тогда имеется равный шанс, что девочка, рожденная от этого брака, будет страдать цветовой слепотой. Такие случаи известны, но они очень редки. (Все сыновья женщины, страдающей цветовой слепотой, будут страдать цветовой слепотой, независимо от того, за кого она выйдет замуж. Можете ли вы самостоятельно рассчитать это?)

Всякий раз, когда характеристика, подобная гену цветовой слепоты, проявляется только у одного иола, а не у другого, она, как говорят, связана с полом.

Другая связанная с полом характеристика, о которой вы, возможно, слышали, — гемофилия. Это состояние, когда кровь по некоторым причинам не способна свертываться. Даже небольшой порез может быть роковым для человека, страдающего этой болезнью, поскольку без специального лечения кровотечение не остановится.

Гемофилия наследуется тем же самым способом, что и дальтонизм. С очень редкими исключениями только мужчины болеют ею, но только женщины передают ее своим детям.

Кстати, о гемофилии. Королева Виктория, возможно, была гетерозиготной именно в отношении гена гемофилии. Так как нормальный ген свертываемости крови является доминантным по отношению к гену гемофилии, мы не можем быть в этом уверенными точно. Ее кровь свертывалась нормально. Однако гемофилия неожиданно возникла у ее потомков мужского пола. Сын российского царя Николая II (жена которого была одной из внучек Виктории) страдал гемофилией. Гемофилия была и у старшего сына короля Испании Альфонса XIII (чья жена была одной из внучек Виктории). Нам, однако, представится случай вновь упомянуть королеву Викторию в следующей главе.