"Свинячий закони" • Сергій Глаголєв • Науково-популярні завдання на "Елементи" • Біологія

“Свинячий закони”

завдання

Відомий селекціонер професор А. А. Вибегалло вирішив перевірити, чи виконуються закони Менделя у різних видів тварин: "Закони-ту ці … того … сумнівні по своїй класовій суті … а їх би треба, ця … в діалектичному плані перевірити!" В якості моделі ідеального піддослідної тварини він вибрав, природно, морську свинку; а як ознака – звичайно ж забарвлення шерсті.

У сусідньому інституті в віварії він роздобув морських свинок двох чистих ліній – чорних і триколірних (рис. 1) – і став їх схрещувати. У першому поколінні нащадків все свинки були чорними (деякі, правда, з білими мітками), у другому – 3/4 чорних (частина теж з білими плямами) і 1/4 триколірних.

Мал. 1

"Ця … діє, компрене ву! Дарма що буржуазно-горохові! Трибарвні свинки, значить, ці … го-мо-зиготи (тьху!) Aa; а чорні, значить, AA. Але треба їх, значить … ще попроверять! На неідеальної моделі, пуркуа па? " – заявив професор журналістам.

Він вирішив на цей раз взяти кішок, благо ті теж бувають триколірні; але їх у віварії не виявилося. Професор роздобув десяток триколірних кішок, позичив у сусідів породистого чорного кота і приступив до справи.Половина кішок в першому поколінні виявилися чорними, а половина – трибарвними; полвіни котів були чорними, половина – рудими. У частині чорних кішок і котів були білі відмітини (як і в наступному поколінні).

"Кот, може, був нечістопородний, ця … ге-ті-ра-зигота – Aa; а з діалектичної точки зору рудий кіт – майже що триколірний; дарма що ми стираємо відмінності між містом і селом, між кішками та котами, а на забарвлення , може, ці … гормони діють! – міркував професор. – Ну ось, значить, схрестимо тепер чорних кішок і котів з першого покоління; 3/4 будуть чорними, а з решти чверті коти руді, а кішки триколірні ".

Але все нащадки виявилися чорними. А коли професор схрестив черепахових кішок і рудих котів з першого покоління (чекаючи, що всі коти будуть рудими, а все кішки – черепаховими), то серед котів половина виявилися чорними!

"Ось я і кажу – свинячі закони! Вивели їх, буржуїв, на чисту воду – головне, пильність не втрачається", – заявив Вибегалло при наступній зустрічі з журналістами.

як пояснити отримані професором результати? яких квітів були інші кошенята від останнього схрещування, описаного в задачі? чи виконуються в даному випадку закони Менделя, і якщо немає, то чому?


Підказка 1

Лаборантка Стелла вважала кішок і котів в потомстві акуратно і навіть (на відміну від професора) володіла навичками статистичної обробки даних. Так що все розщеплення залишилися б такими ж і при більшій кількості нащадків.


Підказка 2

Коли професор спробував отримати чисті лінії триколірних кішок в різних віваріях, з більшості місць він отримав ввічливі відмови і повідомлення, що таких ліній немає і не передбачається. Але один нечутливий завідувач віварієм порадив професорові перечитати будь університетський підручник генетики – рада явно недоречний, оскільки професор навчався до революції, кінчав дворічну сільську школу і університетських підручників генетики ніколи не читав.


Підказка 3

Щоб відповісти на останнє запитання завдання, потрібно згадати самі закони – їх формулювання наводяться, наприклад, тут. Відповідати доведеться окремо для кожного із законів – одноманітності гібридів, розщеплення, чистоти гамет і незалежного успадкування.


Рішення

У сусідньому інституті в віварії він роздобув морських свинок двох чистих ліній – чорних і триколірних (рис. 1) – і став їх схрещувати.У першому поколінні нащадків все свинки були чорними (деякі, правда, з білими мітками), у другому – 3/4 чорних (частина теж з білими плямами) і 1/4 триколірних. "Ця … діє, компрене ву! Дарма що буржуазно горохові! Трибарвні свинки, значить, ці … го-мо-зиготи (тьху!) aa; а чорні, значить, AA ".

Відвернемося поки від білих плям. Щодо чорної і триколірної забарвлення міркування професора в цілому вірні. Виконуються всі закони Менделя для моногибридного схрещування.

Виконуються вони для алелі Е, Який відповідає за рівномірний розподіл чорного забарвлення. Він домінує над алелем eр – "часткового поширення" чорного забарвлення, при якій залишаються руді плями. Правда, є відомості, що домінування це неповне: у гетерозигот першого покоління могли бути присутніми маленькі руді плями (наприклад, на ногах), на які професор і його співробітники не звернули уваги.

Що стосується білих плям – за них відповідає інший ген, S. Його домінантний аллель S відповідає за відсутність плям, рецесивний – s – за наявність. Домінування неповне, і у гетерозигот зазвичай є невеликі плями (на їх розмір і розташування можуть впливати багато інших гени).При обліку цих двох ознак і неповного домінування в кожній парі алелей, а також при великій кількості нащадків професор виявив би розщеплення у другому поколінні (1: 2: 1)2, Тобто 1: 2: 2: 4: 1: 2: 1: 2: 1 (див., Наприклад, Аналіз успадкування при неповному домінуванні // © Зооінженерний факультет МСГА).

Навряд чи Вибегалло здогадався б, що і в цьому випадку закони Менделя виконуються, хоча і в модифікованому вигляді …

Тепер розберемося з кішками. За білі плями у них відповідає той же ген S з неповним домінуванням. А ось спадкування чорно-рудої (черепаховій) забарвлення зовсім інше. Думаю, багато читачів "Елементів" чули або читали, що триколірні коти зустрічаються вкрай рідко. Це пов'язано з тим, що відповідають за руде забарвлення ген Про (Оrange) У кішок знаходиться в Х-хромосомі. Зчеплений з підлогою ген у кішок (як і у жінок) може бути присутнім і в гомозиготному стані (XoXo або ХOХO), І в гетерозиготному (ХOХo), А у котів (як і у чоловіків) він є тільки в одному екземплярі (ХOY або ХoY; такий стан гена називається гемізиготність).

Кішки з генотипом ХOХo черепахові, а якщо їх генотип по гену SSs або ss, То тоді триколірні. кішки XOXO і коти XOY руді. кішки XoXo і коти XoY сірі або чорні (це залежить від інших генів; см. Післямова). Ясно, що при такому типі успадкування коти можуть бути черепаховими, тільки маючи набір статевих хромосом XXY. А коти з таким набором (як і чоловіки) страждають синдромом Клайнфельтера і стерильні. Ось чому чистих ліній триколірних кішок дістати не вдалося …

Природно, при схрещуванні XOY (руді коти) × XOXo (Черепахові кішки) половина котів отримають від матері хромосому Хo і тому будуть чорними.

Не виконуються в даному випадку закон одноманітності гібридів першого покоління і закон розщеплення 3: 1 (див. Післямова). Як і раніше виконується закон чистоти гамет (він порушується тільки при нерозходженні хромосом – в рідкісних випадках, коли, наприклад, народжується кіт XXY). Виконується і закон незалежного успадкування для генів O і S (Вони знаходяться в різних парах хромосом).


Післямова

Теорія спадковості Менделя, дарма що була створена чистою силою думки, виявилася надзвичайно широким узагальненням і заклала основу сучасної генетики. А ось його закони мають безліч обмежень і виконуються далеко не у всіх випадках.Мабуть, найчастіша причина їх невиконання – то, що досліджуваний ознака виявляється не моногенним. Більшість зовнішніх ознак – в тому числі забарвлення шерсті (див. Нижче) – визначаються не одним геном, а безліччю взаємодіючих генів. До них відносяться і такі зовнішні ознаки людини, як колір очей, колір волосся, приросла або вільна мочка вуха і т. П., Які в підручниках часто описуються як моногенні. Як зазначає Джон Макдональд, автор сайту Myths of Human Genetics, це може призводити до великих проблем:

Припустимо, ви говорите учням, що положення рук при складанні їх на грудях хрест-навхрест визначається одним геном: за стан зверху правої руки відповідає домінантний аллель (R), а лівою – рецесивний (r). Результати численних робіт показують, що насправді близько 11 відсотків ваших учнів виявляться носіями домінантної ознаки, у яких обоє батьків мають рецесивний ознака. Тоді, якщо вони правильно зрозуміли ваш урок, вони вирішать, що або їх таємно усиновили, або мама обманювала тата, і він не є їх біологічним батьком. Чим більше таких ознак ви розглянете – тим більший відсоток учнів прийдуть до подібних висновків.Я не думаю, що це вдалий варіант вивчення генетики". (Переклад мій. – С.Г.).

Не виконуються деяких законів Менделя (однаковості першого покоління і розщеплення), як ми вже зрозуміли, і для генів, зчеплених зі статтю. Адже Мендель виходив з того, що обоє батьків мають по два алелі, що відповідають за даний ознака. А при сцепленности з підлогою у самців ссавців аллель тільки один. Тому, наприклад, в шлюбах жінок-дальтоніків XdXd і здорових чоловіків XDY все дочки будуть здоровими, все сини – дальтоніками (не виконується закон одноманітності); а в другому поколінні (XDXd × XdY) і серед хлопчиків, і серед дівчаток половина будуть дальтоніками, половина – здоровими (не виконується закон розщеплення 3: 1). Але ситуація з забарвленням кішок складніше. І набагато цікавіше, по-моєму, розібратися з нею по суті, ніж зрозуміти формальний механізм успадкування.

Спочатку треба розібратися, звідки взагалі в волоссі береться фарба. Найкраще це вивчено на мишах. У мишей, як і у всіх ссавців, фарбу виробляють особливі клітини – меланоцити (рис. 2). Ці схожі на восьминогів клітини сидять в шкірі на кордоні дерми і епідермісу. Вони синтезують два типи пігментів: чорні або коричневі еумеланін і жовті або руді феомеланін. Пігменти ці утворюються в особливих бульбашках з мембрани – меланосомах.Потім пігменти потрапляють всередину кератиноцитів – клітин волосся і епідермісу шкіри. (Дивно, але до цих пір точно не відомо, як це відбувається. Швидше за все, клітини шкіри "відкушують" шматочки щупалець восьминогів-меланоцитів і переварюють їх.)

Мал. 2. Схема будови меланоцитів. Зображення з сайту www.dynamicscience.com.au

Початкова стадія синтезу меланіну – окислення тирозину ферментом тирозинази. Її ген зазвичай позначають буквою C. Різні рецесивні мутації цього гена відповідають за "істинний" альбінізм (зазвичай у таких альбіносів рожеві очі) і сіамську забарвлення кішок (а також морських свинок, у яких вона називається зазвичай якось по-іншому).

При наявності гена B виробляється чорний еумеланін; його рецесивні мутації призводять до появи коричневого забарвлення.

Меланоцити утворюються з клітин-попередників – меланобластов. А меланобластов – різновид клітин нервового гребеня. Нервовий гребінь – ділянку зачатка нервової системи. Він закладається разом з нервовою трубкою на спині зародка. Потім його клітини розповзаються по всьому тілу. Зокрема, меланобластов заповзають в шкіру, там розмножуються і перетворюються в меланоцити.

Мал. 3. Розподіл пігменту в волосі.Зображення з сайту www.mun.ca

Якщо в шерстинку потрапить тільки феомеланин – вона буде рудої. Якщо еумеланін – чорною або темно коричневої. А якщо суміш – то буде сірувато-жовте забарвлення сірої кішки, мишки або вовка. Називається таке забарвлення "агуті". Пігменти зазвичай розподілені по волосу смужками, наприклад: чорна – руда – чорна (рис. 3); може бути і інше чергування.

Щоб меланоцит синтезував еумеланін, він повинен мати нормальний білок-рецептор MC1R, і на цей рецептор повинен діяти нормальний меланокортин (меланоцітстімулірующій гормон) – сигнальний білок. Якщо немає гормону – забарвлення світлішає. Якщо не працює рецептор – волосся і шерсть стають рудими. (Саме мутації гена MC1R в більшості випадків відповідають за руде забарвлення волосся у людини.)

Але крім гормону-стимулятора з рецептором може зв'язуватися білок-конкурент, що займає місце гормону. Цей білок – продукт гена agouti – виділяють клітини волосяного фолікула. У них він синтезується не постійно, а хвилями – лише на певних стадіях росту волосся. У ці періоди на волосині і з'являється жовта смужка.

якщо ген agouti (a) не працює – забарвлення шерсті буде чорної (це рецесивна мутація).А якщо працює дуже добре – в більшості випадків це летальна мутація. Лише деякі "добре працюють" аллели agouti в гомозиготному стані викликають у мишей жовте забарвлення шерсті, але не летальні. Однак такі миші товсті, часто хворіють на діабет і рано вмирають.

продукт гена S – рецептор ендотеліну-B; його рівень експресії в 50% від норми і вище необхідний для виживання меланобластов. Повна відсутність цього білка зазвичай призводить до недорозвинення нервової мережі кишечника і до загибелі. Але до появи білих плям можуть призводити мутації ще приблизно 20 різних генів.

У більшості ссавців, як і у людини, за руду забарвлення відповідають мутації гена MC1R. Зазвичай його позначають буквою E. Його рецесивні аллели відповідають або за повне пориженіе (аллель e), Або за часткове (аллель ep). У собак з генотипом epep зазвичай на рудому тлі присутня чорна "маска" на морді; а у морських свинок – чорні плями по всьому тілу.

(Тепер ми можемо визначити, який генотип за розглянутими генам був у наших триколірних морських свинок чистої лінії. Плями у них були чорні, а не сірі – значить, генотип був aa; чорні, а не коричневі – ВВ; вони не були ні альбіноса, ні "сіамськими" – СС; мали білі плями – ss; мали руді плями на частини тіла – epep. Всього ж на забарвлення впливає більше сотні генів.)

Але руда кішка відрізняється і від жовтої миші, і від рудого людини або морської свинки. Вона інакше руда. І це теж дуже дивно! Взагалі, у всіх ссавців гени дуже схожі. Якщо є ген у миші – майже напевно такий ген знайдеться і у кішки, і у людини. І гени, що відповідають за забарвлення шерсті, теж у всіх в цілому схожі. Альбінізм, меланизм (чорне забарвлення), сіамська забарвлення, білі плями і ознакою, руда або туманне забарвлення – як правило, результат схожих мутацій одних і тих же (гомологічних) генів (рис. 4).

Мал. 4. мутації гена kit у миші і людини викликають схожі зміни забарвлення. Фото з сайту www.ncbi.nlm.nih.gov

Особливо консервативні гени, розташовані в X-хромосомі. Але при цьому з усіх вивчених ссавців тільки у кішок і у сирійських хом'ячків є ген orange – зчеплений з підлогою ген, що впливає на колір шерсті. І черепахова (чорно-руда) забарвлення у цих тварин особлива.

Справа в тому, що не тільки у самців, а й у самок в кожній клітині працює тільки один аллель гена O (orange), Як і інших генів X-хромосоми. Пов'язано це з чудовим явищем – інактивацією (вимиканням) X-хромосом у самок ссавців.З двох X-хромосом, отриманих від мами і від тата, в кожній клітині працює тільки одна (рис. 5). Друга вимикається на ранній стадії розвитку зародка – коли він складається приблизно з 50-100 клітин. У формуванні тіла самого зародка з цих клітин візьмуть участь тільки 10-20, решта дадуть зародкові оболонки. У сумчастих в клітинах зародка завжди інактивується батьківська X-хромосома. А ось у плацентарних кожна клітина "підкидає монетку" – випадковим чином вимикає або батьківську, або материнську X-хромосому. Значить, в середньому приблизно в половині клітин зародка буде працювати одна хромосома, в іншій половині – інша. У клітинах хоріону у плацентарних завжди відключається батьківська X-хромосома.

Мал. 5. Інактивація X-хромосоми у самок ссавців. Зображення з сайту www.synapses.co.uk

Може бути, хтось із читачів уже здогадався, чому кішки XOXo черепахові. Один аллель цього гена – O – блокує синтез еумеланіна; інший – o – не блокує. У кожній клітині зародка працює або один, або інший аллель (друга X-хромосома інактивована). І все нащадки цієї клітини успадкують це ж стан. Все меланоцити, які походять від клітини з активним аллелем O, Будуть "фарбувати" шерсть в рудий колір, незалежно від генотипу по гену agouti. Меланоцити з активним аллелем про будуть "фарбувати" котячі волосся в сірий колір, якщо в них є працюючий ген agouti; якщо його немає – ці плями будуть чорними. А число і розташування, наприклад, рудих плям залежать від того, куди доповзли меланобластов з активною хромосомою XO і наскільки сильно вони встигли розмножитися. Так що черепахова кішка – справжнє "клаптева ковдра", мозаїка з різних шматочків. І в кожному рудому або сірому шматочку меланоцити – нащадки однієї клітини зародка (або декількох, якщо вони вимкнули одну і ту ж хромосому).

Хоча в 2010 році геном кішки був розшифрований, ген orange вивчений слабо. Він тільки більш-менш докладно закартировано. Його повна нуклеотидних послідовність поки, здається, не відома. Не відома і функція його білкового продукту.

Може виникнути і таке питання: а навіщо взагалі розбиратися в цих тонкощах котячої і мишачої забарвлення? Нехай в них розбираються заводчики-кошатники і заводчики-мишатнік, але не вчені "за рахунок платника податків".

Гени з зовнішнім проявом легше вивчати. Тому на їх прикладі можна сподіватися розібратися в загальних механізмах регуляції роботи генів.Як, наприклад, виходять смужки на волосині або смужки на кішці? Це важлива наукова проблема! (Див .: Ідеї Алана Тьюринга допомогли зрозуміти механізм розвитку пальців у хребетних, "Елементи", 18.12.2012.)

Крім того, гени забарвлення впливають не лише на забарвлення. Наприклад, один з можливих гомологів гена orange (Якщо він все-таки є у мишей) – ген Atp7a. У мутантних гетерозиготних мишей навіть щось на зразок черепахові буває. Так ось, це зчеплений з підлогою ген білка-насоса, що відповідає за транспорт в клітини іонів міді. І його мутації викликають у людини спадкову хворобу – синдром Менкеса (див. Menkes disease).

Білок agouti у людини на забарвлення волосся не впливає (в шкірі він не утворюється). Зате він утворюється в мозку і сильно впливає на апетит. Тож не дивно, що його активно вивчають – і у людини, і у мишей – як "моделі людини".

У короткій замітці, звичайно, важко відповісти на всі питання. А їх повинно було виникнути багато. Навіщо потрібно вимикати X-хромосому? І як це можна зробити – змусити кілька сотень генів замовкнути, причому тільки на одній з двох хромосом? Чому коти (і чоловіки) з генотипом XXY стерильні – адже одна X-хромосома все одно виключена? Як вийде,що у мишей і людей в клітках зародка, що формують хоріон (частина плаценти), інактивується завжди батьківська X-хромосома? І навіщо це потрібно? Я хочу, щоб читачі розуміли: далеко не на всі ці питання відповідь відома. Он білкові продукти котячих генів – і то не всі відомі!

Післямова було частково опубліковано в журналі "Потенціал".


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: