МЕТОДЫ И УРОВНИ ИЗУЧЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Главным и единственным методом изучения наследственности является классический генетический (гибридологический) анализ, или, как его еще называют, формальный генетический анализ. Он заключается в последовательном разложении генома анализируемого организма на группы сцепленных генов, а групп сцепления — на генные локусы с дальнейшим установлением последовательности генных локусов вдоль хромосомных пар и выяснением тонкой структуры генов (секвенирование генов).

Генетический анализ в принципе подобен химическому анализу, задача которого заключается в разложении сложных химических соединений на более простые компоненты. Однако в отличие от хими- ческого 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 скрещивания особей с разными признаками и учета результатов скрещиваний.

Схема генетического анализа организмов состоит из ряда последовательных 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 генетических карт (нуклеотидных карт).

Одним из важнейших показателей эффективности генетического анализа является его разрешающая способность, которая в общих чертах может быть аналогизирована с разрешающей способностью оптических методов исследования. Подобно тому как разрешающая способность оптических приборов (микроскопов) ограничена волновой природой света, разрешающая способность генетического анализа ограничивается количеством исследуемого потомства, получаемого в скрещиваниях, ибо чем большее количество потомства, тем шире возможность обнаружения среди них редких рекомбинантов и, следовательно, установления частоты кроссинговера.

Начиная с 1910 г. в генетике в качестве экспериментальной модели (системы) широко использовали плодовую мушку Drosophila melanogaster. Являясь эукариотом с дифференцированными тканями, этот организм был очень удобен для изучения многих вопросов наследственности. В частности, у дрозофилы было идентифицировано и изучено большое количество генных и хромосомных мутаций, причем хромосомные мутации из-за больших размеров в клетках слюнной железы оказались доступными для исследования 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 генетического анализа.

Однако изучение других генетических систем, в частности микроорганизмов, показало, что половая репродукция не является единственным путем, при котором осуществляются объединение, расщепление и рекомбинация генетических 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 репродукцией высших организмов служит 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. Более 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, что 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 облада- ют всеми преимуществами бактерий. Но кроме того, они оказались доступными для изучения на них генетики митохондрий, сплайсинга РНК, гаплоидии и диплоидии.

Классический генетический анализ применяют в генетике растений и животных, 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 затруднен. Из-за невозможности классического генетического анализа организмов ряда видов изучение их наследственности проводят с помощью других методов. Например, для изучения наследственности человека применяют метод родословных (генеалогический анализ), цитогенетический, популяционный, близнецовый и другие современные методы (см. гл. VIII).

Развитие физико-химической биологии привело к разработке методов анализа генома организмов, включая полимеразную цепную реакцию, секвенирование ДНК, выделение новых кДНК, а также методологию генной инженерии (молекулярного клонирования, генетических манипуляций), под которой понимают совокупность экспериментальных методов, позволяющих конструировать и реконструировать молекулы ДНК, т. е. создавать генотипы с заданными свойствами. Она основана на данных о свойствах ДНК и некоторых ферментов. Установлено, что ферменты эндонуклеазы, выделяемые из микробов, способны разрезать (рестриктировать) замкнутые кольцевые молекулы ДНК на линейные сегменты, причем в строго определенных участках (сайтах узнавания), т. е. из одной молекулы ДНК можно получить линейные сегменты ДНК строго определенных размеров и в определенном количестве. Эти ферменты были названы рестриктазами. Напротив, другие ферменты обладают противоположной функцией применительно к ДНК, так как способны лигировать (сшивать) в единые структуры сегменты ДНК, образованные рестриктазами. Ферменты с лигирующей способностью получили название лигаз. Последние могут «сшивать» сегменты, происходящие из разных ДНК, формируя рекомбинантную молекулу ДНК. В качестве основы для создания рекомбинантных гибридных молекул ДНК используют фрагменты (рестрикты) исследуемой ДНК и плазмиды или вирусы, которые выполняют роль так называемого генетического вектора. На конечном этапе манипулирования исследуемые

фрагменты ДНК объединяют с вектором, а затем образованные таким путем рекомбинантные молекулы ДНК вводят в бактериальные клетки, в частности в Е. coli или другие микробы. В результате репликации вектора в бактериях происходит поддержание гибридных молекул ДНК. Следовательно, клонируя клетки, содержащие гибридные молекулы ДНК, клонируют, по существу, и эти молекулы (т. е. интересующие исследователя гены). Таким образом, генетические манипуляции осуществляются здесь на генном уровне.

Известна также методология клеточной инженерии, позволяющая вести генетические манипуляции на клеточном уровне (т. е. получе- ние моноклональных антител), гибридизацию соматических клеток, оплодотворение в пробирках, выращивание растений из одной клетки (см. гл. XIV).

Оцените статью
yamedik
Добавить комментарий