Рекомбинация
Гены передаются от одного поколения другому не по отдельности, они сцеплены в хромосомах в определенном порядке. Это не только объясняет, почему некоторые черты наследуются комплексно, но и позволяет потомству наследовать от родителей новые сочетания генов благодаря процессу рекомбинации.
Начало современной биологии было положено одним человеком в конкретном месте, в совершенно определенный момент — американским генетиком Томасом Хантом Морганом, в «мушиной комнате» Колумбийского университета в апреле 1910 года. Морган исследовал влияние наследственных признаков на развитие животных, и ему нужен был подходящий для исследования вид, размножающийся регулярно и часто. После долгих поисков он остановился на фруктовых мушках Drosophila melanogaster, у которых поколения сменяются раз в 12 дней. В тесной, пропахшей бананами лаборатории Морган открыл законы наследования, которые упустил Грегор Мендель, а также доказал, что гены расположены на определенном физическом объекте — на хромосоме.
Хромосомы
У прокариот, например, всего одна кольцевая хромосома, дополненная плазмидами. У эукариот — организмов, в клетках которых есть ядро, — несколько линейных хромосом. Американский зоолог Теофилус Пейнтер первым сосчитал хромосомы человека в 1923 году и утверждал, что у нас их 48. В 1956-м Джо Хин Джио и Альберт Леван исправили его ошибку: хромосом на самом деле 46 — одна пара половых хромосом (обычно XX/XY) и 22 пары аутосом. И люди, и дрозофилы — организмы «диплоидные», одна хромосома из каждой пары достается потомству от каждого из родителей, но есть виды полиплоидные, у которых несколько наборов хромосом, и гаплоидные — всего с одним набором.
Хромосомы состоят из молекул ДНК и белков, обнаружил их в 1878 году Вальтер Флемминг, который заметил движение во время деления клетки. Немецкий биолог Теодор Бовери и американский генетик и хирург Уолтер Саттон независимо друг от друга предположили, что хромосомы могут отвечать за перенос наследственной информации. Бовери обнаружил, что зародышам морских ежей хромосомы необходимы для нормального развития. Саттон исследовал хромосомы в клетках кузнечиков и решил, что сперматозоид и яйцеклетка в результате «редукционного деления» (мейоза) содержат по одной из каждой пары хромосом, благодаря чему у потомства оказывается пара. В своем исследовании 1902 года Саттон пришел к выводу, что «связывание отцовских и материнских хромосом в пары и их последующее разделение при редукционном делении... может быть физической основой законов Менделя».
Сцепленные гены
В ходе исследований дрозофил Морган надеялся обнаружить насекомых, у которых произошли неожиданные изменения — мутации. Первые два года исследований не принесли результата. В 1910 году он, наконец, обнаружил самца с белыми глазами вместо обычных красных. У его потомков от скрещивания с красноглазыми самками глаза оказались красными; следовательно, можно было предположить, что красный аллель является доминантным, а белый — рецессивным, в соответствии с законами Менделя. Когда Морган провел скрещивание красноглазого потомства, соотношение красных и белых глаз во втором поколении в соответствии с законами Менделя было 3:1, но с одним важным отличием: белые глаза встречались у самцов, но не у самок.
Морган понял, что цвет глаз связан с полом, который определяется хромосомами. Мухи, на которых он проводил исследования, диплоидны, с парой половых хромосом, унаследованных от родителей — XX у самцов, XY у самок, плюс три пары аутосом. Наблюдения Моргана показали, что самки были бы белоглазыми, только если бы получили соответствующие аллели от обоих родителей, а значит, цвет глаз связан с Х-хромосомой. В целом его исследования продемонстрировали, что гены соединены физически в единую структуру, — так родилась хромосомная теория наследственности.
Изучая другие признаки, не только цвет глаз, Морган и его студенты выяснили, что многие наследуются несколько искаженным образом, что лучше всего объяснялось физическим расположением генов на одной хромосоме. Если два гена расположены рядом, велика вероятность, что и наследоваться они будут вместе. Если же гены расположены на разных концах хромосомы или вовсе на разных хромосомах, скорее всего, они окажутся разделенными и будут наследоваться по менделевскому закону независимого распределения. А при разделении генов могут возникать новые комбинации, не встречающиеся ни у одного из родителей. Этот процесс назвали рекомбинацией.
Кроссинговер
Рекомбинация происходит в результате физического перемещения участков ДНК между парными (гомологичными) хромосомами. При мейозе, прежде чем генетический материал разделится, гомологичные хромосомы выстраиваются в ряд бок о бок. Некоторые их участки соприкасаются и обмениваются генетическим материалом. В 1931 году американские генетики Харриет Крейтон и Барбара Мак-Клинток впервые наблюдали кроссинговер под микроскопом, во время деления клеток в семени кукурузы, и обнаружили, что он соответствует рекомбинации генов. Рекомбинация создает изменчивость между поколениями. Ваши родители унаследовали свои гены от своих родителей, но до вас информация дошла уже в измененном виде: при формировании спермия и яйцеклетки родителей соответствующие друг другу участки гомологичного ДНК ваших бабушки и дедушки обменялись информацией, что привело к созданию случайного и уникального набора черт.
«Фундаментальные аспекты наследственности оказались, к нашему удивлению, довольно просты, а потому появилась надежда, что, возможно, природа не так уж непознаваема» Томас Хант Морган
Морган проиллюстрировал этот процесс, сравнив гены на хромосомах с бусами на нитке, но на самом деле кроссинговер — сложная биохимическая реакция, предполагающая «вырезание» и «вставку» участков ДНК. Хромосома состоит из двух цепочек ДНК, которые при разрыве восстанавливаются или заменяются при участии крестообразной «структуры Холлидея». Цепочки ДНК комплементарны, так что гомологичная рекомбинация позволяет клетке использовать одну цепочку в качестве образца при восстановлении хромосом.
Научный прорыв, начатый в «мушиной комнате» Колумбийского университета, был признан в 1933 году, когда Моргану присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Помимо доказательства того, что гены — прежде абстрактная концепция — имеют физическую основу, использование Морганом статистики способствовало превращению биологии из науки во многом описательной в экспериментальную, наряду с химией или физикой.
Генетические карты
Как определить точное расположение гена на хромосоме? Один из учеников Моргана, Алфред Стёртевант, разработал методику, основанную на влиянии рекомбинации на статистику наследственности: если два гена расположены близко, вероятность кроссинговера между ними почти нулевая; если они расположены далеко, вероятность их разделения почти 50/50. Это проявляется и в сочетании новых характеристик: если два гена всегда наследуются вместе, частота рекомбинации между ними - ноль. Если у половины потомства сочетание этих генов отличается от родительского, вероятность рекомбинации - 50%. С помощью частоты рекомбинации признаков Стёртевант смог рассчитать относительные расстояния между парами генов. Единицу измерения этого расстояния он назвал сантиморганом - в честь своего учителя. Он же составил полную карту хромосом дрозофилы, на которой было показано расположение всех генов, фенотипический эффект которых удалось определить.
Кроссинговер
Гены расположены на хромосомах. Томас Хант Морган сравнивал их с бусинами, нанизанными на нитку. Рекомбинация - результат передачи генетического материала между парными хромосомами при формировании половых клеток, приводящий к разделению парных родительских признаков.