МЕТОДЫ, ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И УРОВНИ ИЗУЧЕНИЯ НЕСЛЕСТВЕННОСТИ

Главным и единственным методом изучения наследственности организ-мов является классический генетический (гибридологический) анализ, или, как его еще называют, формальный генетический анализ. Основы этого метода бы-ли разработаны Г. Менделем. Этот метод заключается в последовательном раз-ложении генома анализируемого организма на группы сцепленных генов, а групп сцепления — на генные локусы с дальнейшим установлением последова-тельности генных локусов вдоль хромосомных пар и выяснением тонкой струк-туры генов.
Генетический анализ в принципе подобен химическому анализу, задача которого заключается в разложении сложных химических соединений на более простые компоненты. Однако в отличие от химического анализа, например нуклеопротеидов, расщепление которых на структурные части основано на гидролизе, классический генетический анализ основывается на расщеплении (сегрегации) и рекомбинации генов в мейозе и осуществляется путем скрещи-ваний особей с разными признаками и учета результатов скрещиваний.
Схема генетического анализа организмов состоит из ряда последователь-ных этапов, а именно:
1. Идентификация генов.
2. Установление генных локусов на хромосомных парах.
3. Установление последовательности генных локусов вдоль хромосомных пар.
4. Выяснение тонкой структуры генов.
Результаты генетического анализа оформляют путем составления генети-ческих карт.
Одним из важнейших показателей эффективности генетического анализа является его разрешающая способность, которая в общих чертах может быть аналогизирована с разрешающей способностью оптических методов исследо-вания. Подобно тому, как разрешающая способность оптических приборов (микроскопов) ограничена волновой природой света, разрешающая способ-ность генетического анализа ограничивается количеством исследуемого потом-ства, получаемого в скрещиваниях, ибо чем большим является количество по-томства, тем большей является возможность обнаружения среди них редких ре-комбинантов и, следовательно, установления частоты кроссинговера.
Начиная с 1910 г., в генетике в качестве экспериментальной модели (сис-темы) широко используют плодовую мушку Drosophila melanogaster (рис. 103). Являясь эукариотом с дифференцированными тканями, этот организм очень удобен для изучения многих вопросов наследственности.
В частности, у этого организма было идентифицировано и изучено боль-шое количество генных и хромосомных мутаций, причем хромосомные мута-ции из-за больших размеров в клетках слюнной железы оказались доступными для изучения с помощью обычного микроскопа.
На этом организме была показана «мощь» генетического анализа. Однако разрешающая способность генетического анализа всегда имеет ограничения, поскольку возможность получения большого количества потомства всегда ограничена до определенных пределов даже у тех видов, у которых оно составляет сотни организмов на пару, как, например, у D. melanogaster. Поэтому у организмов, размножающихся половым путем, в том числе и у плодовой мушки возможно выполнение лишь трех первых этапов генетическо-го анализа.
Однако изучение других генетических систем, в частности микроорга-низмов, показало, что половая репродукция не является единственным путем, при котором осуществляется объединение, расщепление и рекомбинация гене-тических структур, происходящих от исходных (родительских) организмов. Эти процессы могут проходить и при других формах генетического обмена. У микроорганизмов (Е. coli) бактериальных вирусов (фагов) и микроскопических грибов такими формами генетического обмена являются трансформация, конъюгация и трансдукция. Общим для них в сравнении с половой репродук-цией высших организмов является то, что они приводят к объединению в одной клетке родительских генов и обеспечивают их расщепление и рекомбинацию, т. е. являясь альтернативами половой репродукции, представляют собой системы рекомбинации. Поэтому генетический анализ основывается и на таких системах рекомбинации. Больше того, использование этих систем рекомбинации привело к повышению разрешающей способности генетического анализа в гигантских размерах, ибо появилась возможность оперировать с огромным количеством организмов в потомстве, а также легко осуществлять тесты комплементации, а это позволило не только создать генетические карты ряда организмов (Е. coli, В. subtilis, фаги, низшие грибы), но и изучить тонкое строение их генов.


 

В качестве экспериментальных моделей широко используют также дрожжи. Являясь простейшими эукариотами, эти организмы обладают всеми преимуще-ствами бактерий. Но кроме этого, они оказались доступными для изучения на них генетики митохондрий, сплайсинга РНК, гаплои-дии и диплоидии.
Классический генетический анализ используют в генетике растений и живот-ных, а также их культивируемых клеток. Однако по отношению к высшим организмам тех видов, которым присуще длительное время между генерациями и малое количество потомства на пару, он либо невозможен, либо очень затруд-нен. Из-за невозможности классического генетического анализа организмов ря-да видов изучение их наследственности проводят с помощью других методов. Например, для изучения наследственности человека используют метод родословных (генеалогический анализ), цитогенетический, популяционный, близнецовый и другие современные методы (см. гл. XIII).
Длительное время для изучения генетического контроля развития животных организмов использовали D. melanogaster. Однако, начиная с 60-х гг., в качестве модельного объекта в генетике развития стали использовать круглого гельминта Caenorhabditis (рис. 104). Имея длину в 1 мм, эта нематода состоит примерно из 1000 клеток. Ее генетический аппарат представлен 6 парами гомологичных хромосом, на которых локализовано около 3000 генов. В гаплоидном состоянии геном состоит из 8107 пар нуклеотидов.
Что касается растений, то для изучения генетики развития этих организмов ис-пользуют травянистое растение Arabidopsis thaliana (рис. 105). Преимущества этого растения в качестве экспериментальной модели заключаются в том, что его легко культивировать в лабораторных условиях и что оно имеет очень ко-роткий срок вегетации (всего лишь 5 недель). Кроме того, геном этого растения состоит из 7107 нуклеотидных пар.
У всех этих организмов идентифицированы различные мутации, созданы их ге-номные библиотеки и секвенировано большинство генов. Секвенирование ста-ло методом изучения тонкого строения генов у всех организмов.
Развитие молекулярной биологии привело к разработке методологии генетиче-ской инженерии, которая нашла исключительно широкое применение в живот-новодстве, растениеводстве, а также в изучении нормальной и патологической наследственности человека