Наследование через инфекцию

Наследование через инфекцию

Через цитоплазму могут передаваться различные субмикроскопические частицы и симбионты клетки, которые обладают свойством репродуцироваться в клетке и в силу этого способны имитировать цитоплазматическую наследственность.

Наследование, осуществляемое через эти частицы, или включения, играет, по-видимому важную роль в передаче потомству некоторых свойств материнского организма. Известен ряд случаев наследования такого рода.

У мышей имеются линии с наследственной предрасположенности к развитию рака различных органов. Путем отбора выведены линии с предрасположенностью, например, к раку молочной железы. При этом было показано, что предрасположение самок мышей к заболеванию раком молочной железы передается преимущественно по материнской линии при выкармливании потомства. Если к матерям-кормилицам из раковых линий подсадить мышат из нормальной нераковой линии, то такие мышата также становятся предрасположенными к раку молочной железы. Если мышат из раковой линии полностью вскармливают нормальные кормилицы, то мышата остаются здоровыми.

Таким образом, опухоли в данном случае вызываются инфекцией через молоко матери. Отсюда этот инфекционный агент и был назван «фактором молока». Установлено, что он имеет вирусную природу.

У линий с сильно выраженной склонностью к заболеванию самцы также являются переносчиками этой болезни: они могут заражать нормальных самок через сперматозоиды при скрещивании.

Другим примером подобного наследования является передача из поколения в поколение чувствительности к углекислому газу у дрозофилы. Так, французские исследователи Ф. Леритье и Ж. Тесье обнаружили линии дрозофилы, которые оказались чувствительными к двуокиси углерода. Обычно анестезию этим газом мухи переносят хорошо, но мухи из чувствительных линий погибают даже при малых концентрациях. При скрещивании самок из чувствительных линий с самцами из нормальной линии потомство оказывалось чувствительным к этому газу. И так из поколения в поколение самки передают данное свойство сыновьям и дочерям. При реципрокном скрещивании этого не наблюдается, хотя и здесь часть потомства оказывается с несколько повышенной чувствительностью.

Результаты этих опытов навели авторов на мысль, что чувствительность мух к углекислому газу наследуется через цитоплазму. Для проверки этого предположения исследователи, сохраняя цитоплазму яйцеклеток чувствительной линии, заменили все ее хромосомы хромосомами от мух нормальной линии. На дрозофиле это можно осуществить путем скрещивания самок из чувствительной линии с самцами, хромосомы которых маркированы определенными генами и несут инверсии, препятствующие прохождению кроссинговера. Оказалось, что мухи с замененными хромосомами из нечувствительных линий сохраняли чувствительность к двуокиси углерода и передавали ее потомству. Следовательно, фактор, определяющий эту чувствительность, находится вне хромосом, возможно — в цитоплазме.

Это заключение было проверено также методом инъекции гемолимфы от мух из чувствительной линии в тело нормальных самок: последние дали потомство, чувствительное к двуокиси углерода Мухи из чувствительной линии, которым производилась пересадка яичников от мух из нормальных линий, тоже дали чувствительное потомство. Скрещивание нормальных самок с самцами из чувствительной линии дало небольшое число чувствительных к газу потомков. Дочери от этого скрещивания передавали это свойство потомкам, причем в последующих поколениях оно иногда усиливалось. Все эти опыты привели к заключению, что чувствительность к углекислому газу передается саморепродуцирующимися частицами в цитоплазме, получившими название сигма-фактора.

Другим ярким примером наследования через инфекцию цитоплазмы является обнаружение линий дрозофилы, в которых самцы не появляются, — так называемые «бессамцовые» линии, или линии с аномальным отношением полов (sex-ratio). Самки, несущие фактор бессамцовости, при оплодотворении любыми самцами в потомстве дают только женский пол. При этом данное отношение связано с действием рецессивных аллелей в половой хромосоме. Фактор бессамцовости может быть передан нормальным самкам путем инъекции цитоплазмы, взятой из нежизнеспособных яиц. Инъекция такой цитоплазмы взрослым самцам вызывает их гибель.

Оказалось, что фактор бессамцовости представляет собой спирохету, которая избирательно размножается в цитоплазме половых клеток самок и губительна для соматических клеток мужского пола, содержащих XY-хромосомы. В соматических клетках самок (ХХ) спирохета не встречается.

Большая серия работ была выполнена Т. Соннеборном с сотрудниками и другими авторами по изучению очень интересного и до сих пор еще полностью не разгаданного действия особых частиц цитоплазмы у инфузории Paramecium aurelia. У этого вида известны генетически однородные линии, которые выделяют в среду специфическое вещество, называемое парамецином, — производное особых частиц. Сами продуценты парамецина не страдают от него, но парамеции из других линий от этого вещества гибнут. Инфузории, выделяющие вещество, были названы «убийцами». Установлено, что они содержат в своей цитоплазме особые частицы, в состав которых входит ДНК; они были названы каппа-частицами. Только в присутствии этих частиц инфузория может продуцировать убивающее вещество — парамеции. Чувствительные к парамецину инфузории в норме этих частиц не содержат.

Сохранение ϗ-частиц в цитоплазме и выделение парамецина инфузорией линии «убийца» контролируется доминантным геном К; его рецессивная аллель к не способствует сохранению ϗ-частиц.

При прямом делении инфузории-«убийцы» постоянно дают однотипный клон со свойствами «убийц». При соответствующих условиях опыта удается произвести скрещивание, т. е. вызвать конъюгацию двух клеток — происходящей из «убийц» и чувствительной к парамицину.

Схема наследования гена Kk и каппа-частиц у Paramecium aurelia каппа-частицы изображены черными точками

На рисунке представлена схема наследования генов K и k, а также распределения при этом ϗ-частиц. Исходные формы является гомозиготными (КК и kk), эксконъюганты — гетерозиготными (Kk). При последующей автогамии эксконъюгантов будет наблюдаться расщепление по генотипу, т. е. в соотношении 1 : 1 «убийц» (КК) к чувствительным (kk), но распределение ϗ-частиц при этом будет идти иным образом. Здесь все будет зависеть от длительности конъюгации родительских клеток. Если конъюгация была кратковременна и происходил обмен лишь микронуклеусами, а цитоплазмой эксконъюганты не успели обменяться, то ϗ-частицы не попадут в цитоплазму чувствительного партнера останутся только в исходной материнской клетке. В том случае, если конъюгация была достаточно продолжительной, то происходящий от чувствительной клетки эксконъюгант получит не только ген K и станет по генотипу Kk, но и цитоплазму с ϗ-частицами. При последующем делении эта парамеция Kk даст клон «убийц» с ϗ-частицами. Последние будут размножаться в цитоплазме инфузории сохраняться при наличии гена K. Если же ϗ-частицы попадут цитоплазму чувствительной клетки (с генотипом kk), то они не размножаться, а в ряду делений клетки как бы постепенно «разбавляются» и впоследствии исчезают.

Другими опытами было показано, что наличие ϗ-частиц в цитоплазме «убийц» можно искусственно регулировать. Если суспензию, приготовленную из парамеций-«убийц», вводить чувствительным инфузориям, то последние становятся носителями частиц.

В настоящее время выделено несколько рас парамеций-«убийц». Одни из них, с ϗ-частицами, действуют посредством «летального агента», выделяемого в культуральную среду. Другие расы убивают растительного партнера при непосредственном контакте в провесе конъюгации. Этот тип «убийц» обладает μ-частицами. Существуют и другие расы, которые содержат лямбда-, ню-, сигма-частицы. Все они различаются формой, размером и другими особенностями. Лямбда-частицы, например, развиваются лишь в присутствии гена L, мю-частицы — в присутствии гена М. Предполагают, что все эти частицы являются разными симбионтами клетки.

Все разобранные нами случаи показывают, что в цитоплазме иногда обнаруживаются различные включения, частицы, способные к самовоспроизведению, которые могут быть передатчиками ряда свойств по материнской линии. Но эти частицы по существу не являются неотъемлемыми элементами живой клетки. К подобным случаям следует отнести передачу через цитоплазму какого-либо инфекционного начала — вирусов или бактерий.

Наследование через инфекцию

Генетика соматических клеток и тканей

1. Цитоплазматическое наследование

Для того чтобы та или иная структура могла выполнять функции материального носителя наследственности и обеспечивать коли­чественные закономерности наследования, она должна содержать материальные носители генетической информации (нуклеиновые кислоты), обладать способностью к самовоспроизведению и точно распределяться по дочерним клеткам при делении. Всем трем условиям полностью удовлетворяют только структуры ядра – хромосомы. Наследование, определяемое хромосомами, получило название ядерного или хромосомного.

Полуавтономные органоиды цитоплазмы – митохондрии и пластиды – содержат ДНК и обладают способностью к саморепродукции. В тех случаях, когда материальной основой наследования являются элементы цитоплазмы, оно называется нехромосомным или цитоплазматическим.

В отличие от хромосом, митохондрии и пластиды не распределяется при делении клетки с абсолютной точностью. Именно в этом и состоит главное отличие ядерных структур (хромосом) от цитоплазматических. Кроме того, ядро содержит ограниченное и характерное для каждого вида число хромосом; в цитоплазме же обычно много однозначных органоидов, число их, как правило, непостоянно. Ядро в большинстве случаев не способно исправить и заместить возникшие дефекты хромосом, они воспроизводятся при делении клетки; поврежденные и неспособные к размножению органоиды цитоплазмы могут быть замещены путем размножения одноименных неповрежденных структур.

Приведенные различия в свойствах хромосом и полуавтономных органоидов цитоплазмы должны обусловливать и различия в закономерностях наследования, определяемых этими элементами клетки. Поскольку и у растений, и у животных яйцеклетка содержит много цитоплазмы, а мужская гамета ее, как правило, почти лишена, следует ожидать, что цитоплазматическое наследование, в отличие от хромосомного, должно осуществляться по материнской линии. Поскольку для органоидов цитоплазмы нет такого точного механизма распределения при делении клеток, который существует для хромосом, то, очевидно, цитоплазматическое наследование не может характеризоваться такими строгими количественными закономерностями, как ядерное.

Генетический материал митохондрий включает несколько десятков кольцевых и линейных двуспиральных правозакрученных молекул ДНК, которые отличаются по нуклеотидному составу от ядерной ДНК (яДНК) и не связаны с гистонами. Длина одной молекулы митохондриальной ДНК (мтДНК) – 15–75 тпн. (в тысячи раз меньше, чем длина яДНК), что позволяет кодировать несколько десятков белков (25– 125 полипептидов с молекулярной массой М = 40000). В мтДНК закодированы: транспортные и рибосомальные РНК (рибосомы митохондрий отличаются от рибосом цитоплазмы), некоторые ферменты (3 из 7 субъединиц цитохромоксидазы, две субъединицы комплекса цитохромов b –с₁, иногда – субъединицы АТФазы). Этого недостаточно, чтобы обеспечить существование и функционирование митохондрий. Часть белков (ДНК- и РНК-полимеразы, белки митохондриальных рибосом, субъединицы дыхательных ферментов) поступает в готовом виде из цитоплазмы или в виде соответствующих иРНК, закодированных в яДНК. мтДНК человека представлена кольцевой молекулой длиной 16569 пн и содержит 13 белковых генов, 22 гена тРНК и 2 гена рРНК. Кодирующие последовательности разделены короткими межгенными некодирующими участками, для которых характерен высокий уровень полиморфизма, обусловленный заменами, потерями и вставками нуклеотидов.

Генетический материал хлоропластов включает несколько десятков кольцевых двуспиральных правозакрученных молекул ДНК, которые являются копиями друг друга. ДНК хлоропластов (хлДНК) также отличается по нуклеотидному составу от яДНК и не связана с гистонами, однако имеются и черты сходства с яДНК (некоторые гены тРНК имеют интрон-экзонную структуру, а именно гены аланиновой и изолейциновой тРНК). Длина одной молекулы хлДНК – несколько сотен тпн (примерно в 10 раз больше, чем одиночная молекула мтДНК). хлДНК кодирует: часть транспортных и рРНК (рибосомы пластид отличаются от рибосом цитоплазмы), некоторые белки ( 3 субъединицы АТФазы, белки наружной и внутренней мембран, большую субъединицу рибулезодифосфаткарбоксилазы – всего около 30 белков, хотя теоретически может кодировать 100–150 белков). Большая часть белков хлоропласта закодирована в яДНК.

Особенности генетической информации, закодированной в ДНК полуавтономных органоидов. Генетическая информация, закодированная в полуавтономных органоидах, в наибольшей степени наследуется через цитоплазму, то есть по материнской линии. Считается, что мтДНК и хлДНК в наименьшей степени подвержены действию естественного отбора. Эти обстоятельства используются в микросистематике для выявления родственных связей между группами организмов. Однородность мтДНК человека позволяет предположить, что современное человечество происходит от немногих особей женского пола. Существует гипотеза, согласно которой некоторые гены способны переходить из одних типов ДНК в другие, например, из хлДНК в мтДНК. В то же время генетический код полуавтономных органоидов обладает специфичностью, например, триплет АУА в яДНК кодирует изолейцин, а в мтДНК – метионин, кодон ЦУГ – в яДНК – лейцин, в мтДНК – треонин. Существуют и другие разночтения кодонов.

О первых фактах пластидного наследования сообщили Э. Баур и К. Корренс еще на заре развития генетики (в 1909 г.). Так, Корренс изучил наследование белой пестролистности у ночной красавицы ( Mirabilis jalapa ). У этого вида встречаются пестро­листные растения, которые имеют в точках роста разные группы клеток: с нормальными пластидами и с пластидами, неспособными к образованию хлорофилла. Вследствие этого иногда на рас­тении образуются три типа побегов: чисто-зеленые, пестрые или совершенно белые. Белые побеги на мозаичном растении существуют за счет ассимилятов, поступающих из зеленых и пестрых побегов, в которых идет фотосинтез. Семена, полученные с белых ветвей, дают нежизнеспособные всходы, так как у них не идет процесс фотосинтеза.

При опылении цветков на разных типах побегов пыльцой с разных типов побегов дает следующие результаты:

из гибридных семян

зеленые, пестрые, белые (леталь)

только белые (леталь)

На основании этого был сделан вывод, что наследование пестролистности у ночной красавицы связано с передачей и распределением при клеточных делениях двух типов пластид – зеленых и неокрашенных, причем передаются пластиды яйцеклеткой, в результате чего наследование осуществляется по материнской линии. Развитие белых или зеленых частей растений из зиготы, содержащей пластиды обоих типов, определяется скоростью вос­произведения разных пластид и их распределением в ходе клеточных делений. Например, клетки, получившие только зеленые пластиды, дают зеленые участки тканей, а из клеток, имеющих только неокрашенные пластиды, образуются белые участки.

В некоторых случаях, например у герани, пластиды передаются не только яйцеклеткой, но и спермием, содержащим цитоплазму. При этом пестролистность наследуется не только по материнской, но и по отцовской линии, т. е. имеет место так называемое двуродительское наследование.

Наследование через митохондрии

У некоторых грибов (дрожжи, нейроспора) была обнаружена дыхательная недостаточность, которая обусловлена необратимыми наследственными изменениями функции митохондрии – у них утрачена активность цитохромоксидазы. Б. Эфрусси обнаружил штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae , которые спонтанно образуют карликовые колонии с дыхательной недостаточностью. Поскольку колонии возникают при вегетативном размножении гаплоидных дрожжей, эта форма была названа вегетативным карликовым штаммом. Наряду с вегетативными карликовыми колониями была обнаружена форма, по фенотипу – росту и дыхательной недостаточности – сходная с первой, но она давала расщепление по признаку карликовости, как будто он определялся одним ядерным геном; эта форма была названа расщепляющимся карликовым штаммом.

Генетический анализ вегетативного и расщепляющегося кар­ликовых штаммов показывает, что фенотип расщепляющейся карликовости определяется ядерным геном (при скрещиваниях наблюдается расщепление в отношении 1:1). При скрещивании вегетативных карликов и нормаль­ных дрожжей диплоидная зигота, в которой есть митохондрии от нормальной формы, не дает расщепления – из спор (аскоспор) не появляются мелкие колонии. Следовательно, у этих форм геномы одинаковы, различалась лишь цитоплазма. Расщепления по типу цитоплазмы в мейозе не происходит. В данном эксперименте факт цитоплазматического наследования очевиден.

Получено и прямое доказательство роли митохондрии в наследственной передаче дыхательной недостаточности у дрожжей. Вегетативных карликов, лишенных клеточных оболочек, выра­щивали в присутствии изолированных митохондрии нормальных дрожжей. В результате часть образовавшихся колоний (2–2,5%) имели нормальные размеры. Этот факт можно объяснить, предположив, что «нормальные» митохондрии, попав в клетки вегетативных карликов, исправили дефект их дыхательной системы и, передаваясь из клетки в клетку в ходе деления, способствовали образованию нормальных колоний.

Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС)

Один из самых ярких примеров цитоплазматического наследования – явление цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС), обнаруженное у многих растений – кукурузы, лука, свеклы, льна и др. Цитоплазматическая мужская стерильность у кукурузы была открыта в 30-х годах одновременно в СССР М. И. Хаджиновым и в США М. Родсом. Кукуруза – однодомное растение, женские цветки у нее собраны в початок, мужские – в метелку. У неко­торых сортов кукурузы были обнаружены растения, имевшие в метелках недоразвитые пыльники, часто совершенно пустые, а иногда с недоразвитой стерильной пыльцой. Оказалось, что этот признак определяется особенностями цитоплазмы. Опыление рас­тений с мужской стерильностью нормальной пыльцой с других растений в большинстве случаев дает в потомстве растения со стерильной пыльцой. При повторении этого скрещивания в течение ряда поколений признак мужской стерильности не исчеза­ет, передаваясь по материнской линии. Даже тогда, когда все 10 пар хромосом растений со стерильной пыльцой замещаются хромосомами от растений с фертильной пыльцой, мужская сте­рильность сохраняется. Это послужило убедительным доказательством того, что наследование данного признака осуществля­ется через цитоплазму. Цитоплазма, обусловливающая стериль­ность пыльцы, была обозначена символом цит S (стерильная цитоплазма), а цитоплазма растений с фертильной пыльцой – символом цит N (нормальная цитоплазма).

Установлено, что генотип растения может оказывать опреде­ленное влияние на действие стерильной цитоплазмы. Цитоплазма цит S может обусловить стерильность пыльцы только при наличии в генотипе растения рецессивного гена rf в гомозиготном состоянии rfrf . Если же этот ген представлен доминантной аллелью Rf, то растение цит S RfRf или цит S Rfrf имеет нормальную пыльцу. Аллель Rf является, таким образом, восстановителем фертильности пыльцы. Следовательно, фертильную пыльцу могут иметь растения и цum N rfrf, и цит N R f –-, и цит S Rf–, а полностью стерильную – только растения цит S rfrf. Многократное повторение скрещивания ♀ цит S rfrf × ♂ цит N rfrf всегда дает потомство с полностью стерильной пыльцой. И только в случае скрещива­ния цum S rfrf × цum S RfRf (или цит N RfRf) может быть полу­чено потомство, где все растения будут иметь нормальную пыльцу, несмотря на наличие цитоплазмы цum S . Следует еще раз подчеркнуть, что ген Rf не изменяет структуру и специфичность цитоплазмы цum S , а лишь тормозит проявление ее действия.

Таким образом, взаимодействие ядерных и внеядерных факторов, определяющих ЦМС, можно записать следующим образом:

Генотип ядра и цитоплазмы

Примечание. К сожалению, локализация факторов цит S и цит N в цитоплазме до сих пор не установлена; можно лишь предположить, что эти факторы закодированы в геноме митохондрий. Однако явление ЦМС широко используется для получения гибридных семян у пасленовых, тыквенных с/х растений, так как для получения F 1 не требуется производить трудоемкие операции кастрации и изоляции материнских цветков.

2. Особые типы наследования

Наследование при предетерминации цитоплазмы

Предетерминацией называется предопределение свойств организмов в последующих поколениях. В ряде случаев на­следование признаков связано с особенностями цитоплазмы, воз­никающими в процессе индивидуального развития организма ли­бо под влиянием факторов внешней среды (онтогенетическая или фенотипическая предетерминация), либо под влиянием генотипа (генотипическая предетерминация).

Онтогенетическая предетерминация. В этом случае наследо­вание некоторых признаков по материнской линии обусловлено изменениями в цитоплазме, возникающими и ней под влиянием определенных внешних факторов. Обычно такие изменения нестойки и через несколько поколений постепенно исчезают, возвращаясь к исходному типу. Например, воздействие повышенной температурой на яйца самок наездника Habrobracon до оплодотворения приводит к изменению окраски тела у их потомства. В последующих поколениях при размножении в нормальных температурных условиях это изменение постепенно затухает. Когда температурному воздействию подвергаются самцы, а самки выращиваются в нормальных условиях, подобного эффекта не наблюдается. Подобные изменения, затухающие в ряду поколений при возвращении организмов в исходные условия, называют длительными модификациями. Механизм их до сих пор не выяснен. Длительные модификации могут постоянно проявляться в ряду поколений при условии сохранения вызывавших их факторов; при отсутствии последних происходит постепенный возврат к исходному состоянию.

Генотипическая предетерминация цитоплазмы происходит под влиянием генотипа материнского организма. Яркий пример – наследование направления завитка раковины у пресноводных гермафродитных моллюсков Limnea . Большинство из них – перекрестно оплодотворяющиеся формы, но некоторые из них способны к самооплодотворению. У этих моллюсков встречаются два типа закручивания раковины: против часовой стрелки (левозакрученные) и по ходу часовой стрелки (правозакрученные). Направление закручивания раковины определяется одной парой аллелей: правозакрученность D доминирует над левозакрученностью d . При реципрокных скрещиваниях гибриды F 1, имеющие один и тот же генотип Dd , различаются по фенотипу. В скрещивании ♀ DD × ♂ dd все гибридные особи имеют материнский тип – правозакрученные раковины. В скрещивании ♀ dd × ♂ DD потомство также имеет материнский тип завитка, то есть левозакрученную раковину. От самооплодотворения гетерозиготных форм F 1 ( Dd ) в обоих скрещиваниях все потомки F 2 обладают правозакрученной раковиной, хотя гибриды F 1 (как и материнские формы) различались по фенотипу. Когда было исследовано потомство от каждой особи F 2 в отдельности, то выяснилось, что 1/4 семей имели левый завиток, а 3/4 – правый.

Результаты опытов можно отобразить в виде схемы:

Таким образом, простое менделевское расщепление по данной паре признаков 3 : 1 выявилось не в F 2, а только в F 3. При этом типе наследования фенотип потомков соответствует генотипу матери, а не генотипу зигот, из которых они развиваются. Данный признак предопределяется генотипом материнского организма в цитоплазме яйца в процессе его развития. Рассмотренный тип насле­дования и является в собственном смысле материнским. Направление завитка раковины определяется характером спирального дробления оплодотворенного яйца, то есть расположением бластомеров по спирали вправо или влево, что, в свою очередь, зависит от ориентации веретена при втором делении дробления.

В данном случае свойства цитоплазмы детерминированы действием хромосомных генов, а не элементами самой цитоплазмы, то есть здесь действует механизм хромосомного наследования, который изменяет цитоплазму яйцеклетки еще до оплодотворения.

Наследование через инфекцию

У мышей имеется линия с наследственной предрасположенностью к развитию рака молочной железы, которая передается по материнской линии и только при выкармливании потомства. Если к матерям-кормилицам из раковых линий подсадить мышат из нераковой линии, то такие мышата также становятся предрасположенными к раку молочной железы. Если мышат из раковой линии с момента рождения вскармливают нормальные кормилицы, то мышата остаются здоровыми. Таким образом, опухоли в данном случае вызываются инфекцией через молоко матери. Этот инфекционный агент был назван фактором молока. Установлено, что он имеет вирусную природу.

Наследование через эндосимбионтов

У инфузорий Paramecium aurelia известны линии, которые содержат в цитоплазме и выделяют в среду специфические частицы, называемые каппа-частицами. Сами носители каппа-частиц («убийцы») от них не страдают, но парамеции из других линий (чувствительные) под их действием погибают. Каппа-частицы представляют собой бактерии, являющиеся по отношению к парамеции эндосимбионтами. Они содержат своеобразную белковую ленту, на которой находятся фаги – симбионты бактерий. Таким образом, здесь имеет место своеобразный тройной симбиоз: инфузория – бактерия – фаг. При попадании каппа-частиц в пищеварительную вакуоль чувствительной инфузории белковая лента бактерии разворачивается. В результате жизнедеятельности фагов вырабатываются вещества, являющиеся причиной гибели инфузорий. Сохранение каппа-частиц в цитоплазме и выделение их инфузорией-«убийцей» контролируется доминантным геном К, его рецессивная аллель k не способствует их сохранению.

У данного вида инфузорий существует бесполое размножение и две формы полового процесса: конъюгация и автогамия. При бесполом размножении инфузории-«убийцы» постоянно дают однотипный клон со свойствами «убийц». При скрещивании (конъюгации) двух клеток – «убийцы» с генотипом KK и чувствительной клетки с генотипом kk – образуются «убийцы»–гетерозиготы Kk . Вследствие автогамии вновь образуются гомозиготные клетки KK и kk , у которых способность к сохранению каппа-частиц определяется следующим образом.

Вариант 1. Кратковременная конъюгация.

Происходил обмен микронуклеусами, но цитоплазмой эксконъюганты не успевают обменяться, и каппа-частицы не попадают в цитоплазму чувствительного партнера и остаются только в исходной клетке. В результате автогамии у гетерозигот Kk наблюдается расщепление по генотипу в соотношении – 1 KK : 1 kk . Половина клеток с генотипом KK (происходящая от клона KK ) будет содержать каппа-частицы, и в дальнейшем эти клетки дадут начало клону «убийц». Другая половина клеток с генотипом KK (происходящая от клона kk ) не будет содержать каппа-частицы и в дальнейшем эти клетки дадут начало клону, нечувствительному к каппа-частицам, но не «убийцам». Половина клеток с генотипом kk (происходящая от клона KK ) будет содержать каппа-частицы, но в цитоплазме этих клеток каппа-частицы не размножаются и в ряду делений постепенно «разбавляются», впоследствии исчезая. Другая половина клеток с генотипом kk (происходящая от клона kk ) исходно не содержит каппа-частицы. Таким образом, в данном случае наблюдается расщепление – 1 часть KK «убийцы» : 1 часть KK «не-убийцы» : 2 части kk чувствительные.

Вариант 2. Длительная конъюгация.

Происходит обмен микронуклеусами и цитоплазмой. Клетка из клона «убийц» исходно содержит каппа-частицы, а клетка из чувствительного клона получает цитоплазму с каппа-частицами от клетки клона «убийц». В результате автогамии у гетерозигот Kk наблюдается расщепление по генотипу в соотношении – 1 часть KK («убийцы») : 1 часть kk (чувствительные). Каппа-частицы будут размножаться в цитоплазме инфузории с генотипом KK , в дальнейшем эти инфузории дадут клон «убийц». В цитоплазме чувствительной клетки ( kk ), каппа-частицы не размножаются и в ряду делений постепенно исчезают.

Итак, в цитоплазме иногда обнаруживаются эндосимбионты, которые могут быть передатчиками ряда свойств по материнской линии. Но эти симбионты по существу не являются неотъемлемыми элементами живой клетки.

Во многих случаях наследование признаков происходит при участии генетических структур цитоплазмы. Цитоплазматическое наследование, как и хромосомное, дискретно. Его отличает от ядерного материнское наследование и отсутствие регулярных количественных закономерностей расщепления. Цитоплазматические гены, подобно ядерным, характеризуются стабильностью, неизменяемостью в гетерозиготном состоянии, расщеплением аллелей, к ним применимо представление о генотипе и фенотипе.

На основе изложенных фактов можно считать, что материальная и функциональная преемственность между поколениями обеспечивается всеми самовоспроизводящимися структурами клетки: ядерными и цитоплазматическими. Однако ядерные структуры (хромосомы) осуществляют общий контроль наследования признаков. Таким образом, единство ядерных генов и генов цитоплазмы (плазмогенов) основано на взаимодействии различных носителей наследственной информации при определяющей роли ядра.

Расширенное понятие генотипа должно включать в себя всю генетическую систему клетки, что наилучшим образом соответствует современному представлению о наследственности.

3. Генетика соматических клеток

Соматическими называют клетки, составляющие тело (сому) многоклеточных организмов и не принимающие участия в поло­вом размножении. Входя в состав разнообразных тканей тела, соматические клетки каждой ткани обладают специфическими структурными, метаболическими и химическими особенностями, которые приобретаются в процессе дифференцировки. Сомати­ческие и половые клетки имеют общее происхождение, так как образуются из генетически одинаковых эмбриональных клеток, которые содержат всю генетическую информацию, необходимую для образования клеток различных типов в ходе развития орга­низма. Различные ткани многоклеточных организмов представляют собой популяции клеток, которые могут изменяться с возрастом и в зависимости от состояния организма. Входящие в состав таких популяций клетки в результате дифференцировки приоб­ретают стабильные наследственные свойства соответствующего типа. Эта стабильность сохраняется даже при культивировании in vitro выделенных из организма соматических клеток. Многие генетические процессы, характерные для половых клеток, проис­ходят и в соматических клетках (мутации, хромосомные пере­стройки, рекомбинации, расщепления, полиплоидизация и др.). Изучение наследственности и изменчивости соматических клеток необходимо для решения многих важных проблем, среди которых особо следует выделить проблему старения, патологии клеток, действия на организм различных физических факторов, а также проблему дифференцировки клеток в онтогенезе и их интеграции в ткани.

При изучении наследственности соматических клеток исполь­зуют методы культуры клеток и тканей, пересадку тканей между разными мутантными линиями растений и животных, а также получение химерных организмов. Рассмотрим некоторые методы подробнее.

1. Методы клеточных культур растений. Позволяют культивировать клетки с различной плоидностью (гаплоидные, диплоидные, полиплоидные), хромосомными перестройками, различ­ными морфологическими и биохимическими особенностями. В культурах гаплоидных клеток рецессивные аллели сразу же проявляются в фенотипе, что позволяет отбирать соматические мутации из исходной популяции клеток или путем индуцированного мутагенеза. Для отбора таких мутаций используются селективные среды. В дальнейшем из культуры ткани можно получить гаплоидные регенераты, а затем с помощью колхицина перевести их на диплоидный уровень и получить генетически однородные гомозиготные линии. Эти процедуры ускоряют селекцию на получение хозяйственно ценных форм, например, растений, устойчивых к засолению (осмоустойчивых).

2. Методы клеточных культур животных и человека. Позволяют получать и изучать клетки с различным уровнем плоидности, с хромосомными аберрациями, генными мутациями и другими изменениями, которые для целостного организма летальны. Эти методы особенно важны с точки зрения радиационной генетики и химического мутагенеза.

3. Методы соматической гибридизации. Позволяют совместить в одной клетке геномы разных организмов. Это дает возможность изучать взаимодействие генетических систем разных биологических видов и использовать гибридные клетки (гибридомы) для получения некоторых веществ (моноклональных антител, вакцин, биологически активных веществ).

4. Методы прививочных гибридов и получение химерных растений. Позволяют изучать взаимодействие геномов разных биологических видов на целостных организмах.

Широко известны работы по получению у растений так называемых прививочных или «вегетативных» гибридов. Начиная с работ Винклера (1907–1935), прививочные гибриды были получены многими авторами на различных растениях. Ряд исследователей склонны были считать прививочные гибриды истинными гибридами, но это оказалось заблуждением. В данном случае мы имели дело с химерными организмами, т. е. такие «гибриды» состоят из тканей подвоя и привоя. Химеры могут быть периклинальными, секториальными и мериклинальными. В химерных организмах клетки и ткани подвоя и привоя могут чередоваться или смешиваться, но они не сливаются, сохраняя относительную автономность и четкие морфологические различия. Таким образом могут возникать новые формы растений, похожие на истинные гибриды, поскольку их признаки бывают промежуточными по сравнению с признаками подвоя и привоя. Если бы это были истинные гибриды, то промежуточный характер признаков сохранился бы в потомстве, полученном из семян. Этого, однако, не происходит, так как генеративные органы обычно образуются за счет тканей одного из компонентов прививки. Иначе говоря, семенное потомство будет соответствовать тому растению, из ткани которого развились половые клетки. Прививочные гибриды можно размножать только вегетативным путем. При прививках, когда различные соматические ткани находятся в тесном контакте, возможны различные цитоплазматические изменения, которые могут наследоваться при семенном размножении по типу длительных модификаций). Причиной цитоплазматических изменении в этом случае может быть обмен между клетками подвоя и привоя, например рибосомами или другими структурами цитоплазмы. Пока это лишь предположения. Без ответа остается и вопрос о возможности изменения генотипа привоя под влиянием подвоя. Хорошо известные методы ментора и вегетативного сближения, применяемые И.В.Мичуриным и другими исследователями, позволяют изменить степень выраженности признаков у привоя, а в некоторых случаях облегчить отдаленную гибридизацию. В этих случаях мы имеем дело с временными модификациями, а не с наследственными изменениями. Неправильным является представление, что метод прививок был основным при выведении новых сортов Мичуриным и другими селекционерами. Основным методом получения новых исходных форм для селекции была половая гибридизация, о чем неоднократно писал и сам Мичурин. Прививки же использовались для усиления фенотипического выражения желаемых признаков, т. е. для получения модификаций, которые можно сохранить при вегетативном размножении. Иначе это можно назвать фенокопиями, при которых наблюдаются изменения фенотипа, имитирующие мутантные состояния, но не наследуемые при половом размножении. На фоне таких модификаций значительно повышалась эффективность отбора. Направленных же генотипических изменений, сохраняющихся в ряду семенных поколений, при прививках не обнаружено.

5. Трансплантация тканей и получение химерных животных. Позволяет изучать генетические закономерности совместимости тканей при пересадках. В настоящее время разработан метод получения химерных животных, например, аллофенных мышей. Суть его состоит в том, что конструируется бластула, состоящая из генетически различных бластомеров, которая затем имплантируется в матку гормонально подготовленной мыши. Таким образом, у химерных животных было установлено, что гены можно условно разделить на два типа: автономного и неавтономного действия. К первым относятся такие гены, доминантные аллели которых не подавляют проявление рецессивных аллелей этого же гена, находящихся в соседних клетках в гомозиготном состоянии. С другой стороны, продукты активности доминантных генов неавтономного действия, проникая в соседние клетки, определяют их фенотип.

Генетика онкологических заболеваний

Онкологические заболевания – это процессы, связанные с развитием раковых опухолей в различных тканях. Обычно раковые опухоли развиваются в тех тканях, в которых клетки интенсивно делятся. Известно около 100 типов раковых опухолей, из них наиболее часты встречающиеся: раки легких, молочной железы, толстой кишки, простаты и матки. Смертность от рака составляет 20% смертности в развитых странах.

Раковые опухоли – это скопления интенсивно делящихся клеток. Процесс развития раковой опухоли называется канцерогенез. Начинается канцерогенез с нарушений клеточного цикла одной-единственной клетки, которая начинает интенсивно делиться (пролиферировать). К моменту обнаружения раковой опухоли путем рентгеноскопии в ее состав входит около 10 миллионов клеток (диаметр опухоли

1 мм), к моменту обнаружения путем пальпирования

миллиард клеток (диаметр опухоли

10 мм), при достижении опухолью размера 10 см (

триллиард клеток) наступает летальный исход.

Достаточно условно все раковые опухоли подразделяются на доброкачественные и злокачественные. Доброкачественные опухоли развиваются медленно, и образующие их клетки располагаются компактно. Одной из основных особенностей злокачественных опухолей является относительная автономность раковых клеток, их способность к неограниченному числу делений, обособление и способность метастазировать (разноситься по всему организму). Раковые клетки не подчиняются контрольным механизмам, регулирующим жизнедеятельность нормальных клеток.

Раковые заболевания вызывают самые разнообразные факторы – канцерогены. С помощью близнецового метода показано, что в развитии раковых заболеваний человека значение внешних факторов исключительно велико.

К физическим канцерогенам относятся: ионизирующее излучение, ультрафиолет, температурные и механические воздействия. При облучении покровов организма развивается рак кожи, при общем облучении – лейкозы, опухоли костей, рак щитовидной железы, при вдыхании радиоактивной пыли – рак легких.

К химическим канцерогенам относятся самые разнообразные органические вещества: от четыреххлористого углерода до сложных полициклических и гетероциклических соединений. Например, смолы табачного дыма провоцируют рак легких (плоскоклеточную карциному), причем заболевание интенсивно развивается у курильщиков с 10…20-летним стажем.

(Доп.ред.) Почему ничего не сказано о пище, как источнике канцерогенов, в частности о продуктах, содержащих ГМО (генно-модифицированные организмы) и пищевой продукции с маркировкой «Е» (консерванты, красители и проч.) ?
Также отсутствует информация о паразитах и их жизнедеятельности, как причины развития рака и источника мутагенных факторов, сокращающих жизнь носителя и каждого следующего поколения на 10-20 лет.

К биологическим канцерогенам относятся вирусы (в частности, вирус Герпеса (доп.ред.)) и их производные (провирусы). В клетках позвоночных животных присутствуют десятки встроенных в хромосомы геномов ДНК-содержащих опухолеродных вирусов (провирусов). Доказана вирусная природа рака молочной железы у мышей. Считается, что вирусы могут провоцировать раковые заболевания у человека (например, вирус гепатита – рак печени), однако это положение не доказано.

Заметим, что часто канцерогенами являются известные мутагены.

В то же время, рак – это генетическое заболевание. Злокачественность, т.е. способность одной или многих клеток приводить к развитию опухолей и метастазированию, передается в ряду соматических клеток. Известны случаи семейных раков (опухоли желудка, молочной железы, легких, матки и т. д.). Однако по наследству передается не сам рак, а лишь предрасположенности к раковым заболеваниям. В некоторых популяциях частота отдельных раковых заболеваний значительно ниже средней (в окрестностях Бомбея в 200 раз реже встречается рак кожи, в Нигерии – в 300 раз реже рак пищевода, в Англии – в 100 раз реже рак печени). К эндогенным генетическим факторам канцерогенеза относятся мобильные элементы генома: эндогенные провирусы, транспозоны и ретротранспозоны.

Генетические причины раковых заболеваний могут быть самыми различными, поэтому существует несколько генетических теорий рака.

В начале XX в. Бовери предложил, что рак обусловлен нарушениями в ядре клетки. Вскоре Де Фриз обосновал мутационную теорию рака, в которой подчеркивалась роль генных и хромосомных соматических мутаций в этиологии рака. В середине XX в. российский вирусолог Л. А. Зильбер сформулировал вирусо-генетическую теорию, согласно которой генетический материал онкогенных вирусов встраивается в хромосому клетки. Такое изменение генома, точнее отдельных, немногих локусов, нарушает биохимический механизм клеток, они приобретают автономность и начинают усиленно делиться.

В 1980-1990-е гг. мутационная и вирусо-генетическая теории развития опухолей были объединены. Согласно синтетической генетической теории причиной рака являются самые разнообразные повреждения в генах, отвечающих за деление и дифференцировку клеток. Выявлено три группы таких генов.

1 группа – онкогены. В состав генома входят гены, активирующие деление клеток на ранних этапах эмбриогенеза – протоонкогены. У сформировавшегося организма эти гены находятся в функционально неактивном состоянии либо очень слабоактивны. Однако под воздействием внешних факторов (канцерогенов) или спонтанной перестройки структуры регулирующих участков ДНК (например, за счет инсерционного мутагенеза – вставки мобильных генетических элементов) экспрессия этих генов резко усиливается, и протоонкогены превращаются в онкогены.

2 группа – гены-супрессоры клеточных делений. В норме эти гены нормально функционируют, и их продукты ограничивают число клеточных делений. Однако под влиянием перечисленных факторов гены-супрессоры выключаются, и клетки начинают неограниченно делиться.

3 группа – гены, контролирующие упорядоченность структуры ДНК, например, гены репарации ДНК. Нарушения их функциональной активности приводит к повреждениям регуляторных последовательностей.

В настоящее время продолжается изучение причин раковых заболеваний и разработка мер по их профилактике.