Павел Бородин - Кошки и гены
Дело в том, что в ходе эволюции еще на самых ранних ее стадиях возникло очень важное приспособление, позволяющее организмам защититься, застраховаться от вредного действия мутаций: все многоклеточные организмы имеют каждый из своих генов в двух экземплярах.
Отдельные экземпляры называются аллелями. Мутации ведут к возникновению новых вариантов генов — новых аллелей.
Одинарный набор всех генов организма мы будем дальше называть гаплоидным геномом, а двойной — диплоидным.
В чем преимущества диплоидности, дублирования всех генов? В обеспечении большей надежности системы. Не зря говорят: «Ум хорошо, а два лучше». Вот, например, мой ум может ошибиться в том или ином вопросе, но тогда другой ум, редакторский, эту ошибку исправит. В принципе, наверное, может быть, и наоборот. Но в моей практике такого не случалось. Если в одном аллеле записана ошибочная информация и это приводит к синтезу дефектного белка, то другой аллель содержит правильную информацию и контролирует синтез нормального белка.
Клетку или организм, который содержит два разных аллеля одного гена, будем называть гетерозиготой, два одинаковых (оба мутантные или оба нормальные) — гомозиготой.
Каков будет результат наличия в клетке двух форм ферментов? Здесь что-либо предсказать заранее трудно. Может быть так, что того количества нормального белка, которое есть у гетерозиготы, достаточно, чтобы катализировать зависимый от него метаболический процесс. Тогда организм будет иметь такое же проявление признака, какое характерно для гомозиготы по нормальному аллелю.
Аллели, которые в гетерозиготе (будучи в одном экземпляре) дают то же проявление признака, что и в гомозиготе, называются доминантными.
Аллели, которые проявляют свое действие только в гомозиготе, а в гетерозиготе незаметны, ибо подавляются действием другого, доминантного аллеля, называются рецессивными.
Как правило, нормальные аллели доминируют над мутантными. Но из этого правила есть множество исключений, с которыми мы с вами дальше познакомимся.
Теперь, введя эти определения, давайте рассмотрим эффекты взаимодействия аллелей на молекулярном уровне. Если один из аллелей производит дефектный, неработающий фермент, то активности фермента, синтезированного по рецепту, считанному со второго аллеля, может не хватить для полноценного обеспечения того метаболического процесса, за который эти ферменты отвечают. Тогда у гетерозиготы исследуемый признак будет проявляться слабее, чем у гомозиготы по нормальному аллелю, но сильнее, чем у гомозиготы по мутантному. Такое тоже встречается. Тогда оба аллеля называются полудоминантными.
Вы знаете, что вещества, поступающие в клетку, претерпевают целый ряд последовательных превращений до того, как станут готовым продуктом. В том же синтезе пигмента окраски шерсти меланина участвует не одна тирозиназа, а несколько разных ферментов. В генах, кодирующих любой из этих ферментов, могут возникать мутации.
Рассмотрим начальный и конечный этапы этого процесса. Вначале происходит превращение тирозина в промежуточный продукт. В конце, когда пигмент уже готов, важно равномерно распределить его по волосу.
За два этих процесса отвечают два разных гена. В каждом из них возможны мутации. Возьмем гомозиготу по мутации в гене, контролирующем распределение пигмента. У такого кота пигментные гранулы не распределяются равномерно, а образуют локальные скопления. В итоге шерсть его будет не серой, а голубоватой.
Какого цвета будет кот, гомозиготный по мутациям в обоих генах, отвечающих за начало и конец процесса формирования окраски? Конечно, белым. Если пигмента нет вообще, то неважно, как он мог бы быть распределен по волосу. И гомозиготы по аллелю, нарушающему распределение, и гетерозиготы и гомозиготы по нормальному аллелю, — все они будут белыми, если у них из-за гомозиготности по дефектному аллелю синтеза тирозиназы вообще не синтезируется пигмент.
Такое взаимодействие между аллелями разных генов — межаллельное взаимодействие — называется эпистазом. Еще один термин. Уж чего-чего, а терминов в генетике предостаточно. В одной только этой главе мы уже ввели такие, как аллель, гомозигота, гетерозигота, доминантный, рецессивный, эпистаз. А сколько еще впереди...
Если ваши возможности к восприятию новых слов еще не исчерпаны, я рискну продолжить. Если по ходу моих рассуждений вы почувствуете, что уже забыли смысл тех терминов, которые я ввел раньше, можно обратиться к Словарю биологических терминов, который помещен в конце книги.
Итак, продолжаем. Возвратимся к синтезу пигментов. Меланин продуцируется в двух формах: черный, который называется эумеланином, и желтый — феомеланин. Характерная окраска кота дикого типа (диким типом генетики называют тот вариант признака, который характерен для большинства особей данного вида) — серая — обусловлена тем, что эти две формы пигмента распределены в волосе в виде чередующихся колец черного и желтого цвета. Именно такое сочетание дает характерную серую (она же агути) окраску. Есть мутация, которая приводит к резкому уменьшению желтых зон и расширению черных. Кот, гомозиготный по такой мутации, будет черным. Если же он при этом будет гомозиготен еще и по мутации, вызывающей сгущение пигментных гранул, то его волосы будут более прозрачны и он будет выглядеть голубым.
Это тоже пример воздействия разных, неаллельных генов. Называется оно комплементарным, дополнительным действием генов. Эффект одной мутации дополняется эффектом другой. Я специально не даю пока названий мутаций, этому будет посвящена следующая глава.
Выше мы рассматривали случаи, когда за каждый этап формирования признака отвечает только один ген. Однако есть много примеров, когда один и тот же продукт синтезируют разные гены. Мутации в таких повторенных генах также могут увеличивать или уменьшать количество или активность синтезируемого продукта. Результат такой совместной активности генов будет зависеть от того, сколько в генотипе каждого конкретного организма усиливающих и сколько тормозящих аллелей.
Гены, каждый из которых вносит небольшой вклад в формирование признака, называются полигенами, в отличие от олигогенов, или генов главного действия, о которых мы говорили выше. Под контролем полигенов находятся количественные признаки, то есть такие, по которым различия между особями носят не качественный, а количественный характер: не есть — нет, а больше — меньше.
На один признак может действовать много генов. Но может быть и обратная ситуация: один ген действует на много признаков. Обратимся опять к примеру с тирозиназой. Нарушения в синтезе пигмента сказываются не только на цвете шерсти, но и на цвете глаз, поскольку и там, и там есть районы, которые должны быть специфическим образом окрашены. Если же процесс образования пигмента нарушен, то измененными оказываются оба признака. У настоящих альбиносов белая шерсть сочетается с красными глазами, ибо экранирующий пигмент в них отсутствует, и становятся заметными кровеносные сосуды. Так мутация в одном гене сказывается на проявлении двух признаков. Такое множественное действие гена называется плейотропией.
Сколько их - генов у кошки?
Двадцать лет назад я считал, что у кошки 50 000 генов. И был неправ. Тогда генетики сильно переоценивали количество генов у млекопитающих. При этом оценка в 50 000 считалась очень низкой. Многие говорили о 150 000 генов. Разочарование пришло после расшифровки генома человека. Оказалось, что у человека всего около 30 тысяч генов, кодирующих белки. Это гораздо меньше, чем ожидалось.
Когда были расшифрованы геномы других организмов, таких как нематода и плодовая мушка дрозофила, оказалось, что у человека не просто мало, но оскорбительно мало генов: всего в полтора раз больше, чем у нематоды и в два раза больше, чем у дрозофилы. В 2007 году появились первые результаты расшифровки генома кошки. Пока расшифровано примерно 65% кошачьих генов. Сравнение последовательности нуклеотидов в геноме кошки с хорошо исследованными геномами человека, шимпанзе, собаки, коровы, мыши и крысы позволило выявить у кошки 20285 генов. Следовательно, общее число генов кошки, по- видимому, равно числу генов человека - 30 000.
Нужно помнить, однако, что речь здесь идет о генах в традиционном понимании этого слова: то есть об участках ДНК, которые кодируют белки. Применение методов молекулярной генетики к анализу хромосом показало, что они содержат огромное количество многократно повторенных и, по-видимому, не кодирующих белки последовательностей ДНК.
Вы, конечно, знаете, что гены, не болтаются в клетках по отдельности, но организованы в хромосомы.
У кошки 19 пар хромосом. Мы говорили с вами о том, что для обеспечения надежности у всех высших организмов каждый ген представлен как минимум в двух экземплярах, а поскольку гены организованы в хромосомы, то, следовательно, и каждая хромосома должна быть в двух экземплярах. Хромосомы, несущие аллели одних и тех же генов, называются гомологичными хромосомами, или гомологами.
