Гены и хромосомы
К. X. Уоддингтон: «Теория хромосомы Моргана — истинный прорыв воображения, сравнимый с открытиями Галилео и Ньютона»
Когда в 1908 году Т. X. Морган (1866-1945) начал экспериментировать с плодовыми мушками, он не был приверженцем ни Дарвина, ни Менделя. Хотя Морган и признавал, что биологическая эволюция существует в некоторой форме, он сомневался в естественном отборе и менделевском наследовании как ее механизмах. Однако полученные результаты убедили его в правильности обеих теорий и позволили открыть клеточную структуру, благодаря которой признаки передаются от поколения к поколению.
Морган не только доказал, что фенотипы наследуются в соответствии с законами Менделя, но и показал, что единицы наследственности находятся в хромосомах. Эти структуры, расположенные в ядре клетки, которых у человека 23 пары, были открыты в 1840-х годах, но их функция оставалась загадкой. В 1902 году биолог Теодор Бовери и генетик Уолтер Саттон независимо друг от друга предположили, что хромосомы могут содержать материал наследственности, чем вызвали жаркую полемику. Несмотря на то, что Морган сомневался в их гипотезе, его плодовые мушки положили конец всем спорам. Морган получил материальные доказательства, завершившие менделевскую революцию.
Область науки, которую перевернул Морган, обрела название. Мендель называл коды наследуемых признаков «факторами». В 1889 году Хуго де Фриз, еще не повторив открытие монаха, использовал для описания «мельчайшей частицы, соответствующей наследуемой характеристике» термин «панген». В 1909 году Вильгельм Йохансон придумал более изящное слово — ген, а заодно «генотип» — для описания генетического строения организма и «фенотип» — для описания признаков, определяемых генами. Уильям Бейтсон, английский биолог, объединил его термины в название новой науки — генетика.
Нити жизни
Сейчас мы знаем, что хромосомы представляют собой нити, состоящие из хроматина — комбинации ДНК и белков. Они располагаются в ядре и несут основную часть генетической информации (небольшое количество ее содержится в митохондриях и хлоропластах). Обычно хромосомы изображают как две связанные посередке палочки, однако такую форму они принимают только при делении клетки. А остальное время они выглядят как длинные нити, напоминающие ожерелье из ниток. Гены — это цветные вкрапления, вплетенные в ожерелье.
У разных организмов разное число хромосом, и они практически всегда парные: особь наследует одну хромосому от матери, а вторую — от отца. Только в половых клетках, или гаметах (у животных это яйцеклетки и сперматозоиды), содержится одна копия хромосомы. Обычно парные хромосомы называют аутосомами (у человека их 22 пары), и у большинства животных также есть половые хромосомы, которые могут различаться у самцов и самок. В случае человека наследование двух Х-хромосом приводит к рождению девочки, наследование одной Х-хромосомы и одной Y-хромосомы — к рождению мальчика.
В 1880-х годах благодаря появлению красителей для хроматина эмбриолог и цитолог Эдуард ван Бенеден увидел, что материнская и отцовская хромосомы в ходе клеточного деления разделены. Это открытие позволило Бовери и Саттону предположить, что хромосомы играют важную роль в менделевском наследовании. Если гены содержатся в отдельных хромосомах, наследуемых от каждого родителя, это объясняет, почему рецессивные признаки проявляются в последующих поколениях.
«Полученные Морганом данные о генах и их расположении на хромосомах помогли превратить биологию в экспериментальную науку» Эрик Кандел
Мушка
Правоту Бовери и Саттона доказал один из их наиболее громогласных критиков — Морган. Его инструментом послужила скромная плодовая мушка Drosophila melanogaster, чье латинское имя означает «чернобрюхая любительница росы». Самки могут откладывать по 800 яиц в день, и их быстрый репродуктивный цикл, дающий новое поколение каждые две недели, позволил лаборатории Моргана скрестить миллионы насекомых и исследовать пути наследования.
Глаза дрозофилы обычно красные, но в 1910 году Морган обнаружил единственного белоглазого самца. Когда он скрестил самца с обычной красноглазой самкой, все их потомство (поколение F1 )было красноглазым. Этих мушек затем скрестили друг с другом, и в поколении F2 вернулись рецессивные признаки Менделя. Проявился белоглазый фенотип, но только примерно у половины самцов и ни у одной самки. По-видимому, такой результат был связан с полом. У людей пол определяется хромосомами X и Y: женщины несут набор XX, мужчины — XY. Яйцеклетки всегда содержат X, тогда как сперматозоиды могут содержать как X, так и Y. Поскольку Х-хромосома влияет на пол плодовых мушек таким же образом, Морган предположил, что его результаты имеют смысл, если мутантный ген, делающий глаза белыми, является рецессивным и содержится в Х-хромосоме.
В поколении F1 все мушки были красноглазыми, поскольку они унаследовали от красноглазой самки Х-хромосому и, следовательно, доминантный ген красноглазости. Все самки несли рецессивный ген, но он не проявлялся. У самцов его не было.
В поколении F2 все самки были красноглазыми, поскольку они получили одну Х-хромосому с доминантным геном от красноглазого отца. Даже если их матери несли и передали мутантную Х-хромосому, белоглазость у них не проявилась, поскольку признак рецессивный. Однако половина самцов F2,получившие мутантную Х-хромосому от матерей, оказались белоглазыми: у них не было второй Х-хромосомы, способной подавить проявление рецессивного гена.
Морган открыл очень важный принцип. Многие заболевания человека, включая гемофилию и мышечную дистрофию Дюшена, передаются сцепленно с полом: ответственные за это гены лежат в Х-хромосоме, и в результате эти заболевания проявляются практически исключительно у мужчин, у которых нет второй Х-хромосомы.
Хромосомные болезни
Наследственные заболевания не всегда вызываются мутациями определенных генов; они также могут вызываться нарушениями хромосом — анеуплоидиями. Например, люди, страдающие синдромом Дауна, унаследовали три копии хромосомы 21 вместо двух. Дополнительная хромосома приводит к задержке развития, характерному внешнему виду и повышенному риску заболеваний сердца и раннего приобретенного слабоумия. Анеуплоидии других хромосом практически всегда приводят к гибели плода до появления на свет. Они часто являются причинами выкидышей и бесплодия, и сейчас стало возможным отслеживать такие дефекты эмбрионов в ходе экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) для увеличения шансов на успешную беременность.
Сцепление генов
Команда Моргана продолжила изучение дрозофилы и обнаружила десятки признаков, передаваемых через хромосомы. Сцепленные с полом мутации было проще всего обнаружить, но вскоре стало возможным картировать гены (то есть определять их местоположение) и на аутосомах. Гены, лежащие на одной хромосоме, часто наследуются вместе. Наблюдая, как часто определенные признаки наследовались совместно, «дрозофилисты» Моргана смогли доказать, что некоторые гены содержатся в одной хромосоме, и даже рассчитать относительное расстояние между ними. Чем ближе расположены гены, тем с большей вероятностью они будут наследоваться вместе. Данная концепция, носящая название «сцепление генов», до сих пор является ключевым инструментом поиска генов, вызывающих болезни.
Морган ошибался в отношении Менделя, Бовери и Саттона и даже Дарвина. Но он не упорствовал в своей неправоте. Вместо этого он использовал экспериментальные данные для развития фундаментальной идеи. Его «обращение» демонстрирует одно из важнейших свойств науки: в отличие от политики, в науке при появлении новых фактов можно поменять свое мнение.
Люди и другие животные
У людей 23 пары хромосом — 22 аутосомы и половые хромосомы X и Y. Однако до 1955 года считалось, что у нас 24 пары хромосом, как у наших ближайших родственников шимпанзе и других человекообразных приматов. Эта точка зрения была опровергнута Альбертом Леваном и Джо-Хином Тжио, которые благодаря новым технологиям микроскопии показали, что у человека 23 пары. Изучение хромосомы 2 показало, что она образовалась в результате слияния двух меньших хромосом, которые до сих пор существуют у шимпанзе. Это слияние как раз и есть одно из эволюционных событий, превративших нас из обезьян в людей.