01. Классическая и молекулярная генетика. Основные понятия признак, фенотип, генотип, ген, локус, аллель. (Лекции по генетике), страница 5

Вы наверняка знаете из молекулярной биологии о существовании мультигенных семейств: когда в геноме есть несколько генов в молекулярном понимании, кодирующих белковый продукт одного и того же типа – один и тот же фермент, например. Причем они могут несколько различаться по первичной структуре и ДНК, и белкового продукта, равно как и по каким-то физико-химическим свойствам белкового продукта - допустим по интенсивности молекулярной функции, а также по особенностям экспрессии – то есть места, времени и интенсивности синтеза. У того же гороха есть семь генов (в молекулярном смысле) гистона Н1, каждый из них кодирует особый вариант молекулы, один из которых присутствует лишь в активно делящихся клетках и исчезает из хроматина клеток, закончивших деление. Любая последовательность любого из этих генов будет являться вариантом гена гистона Н1. Но в пределах одного генома эти семь генов занимают разные локусы, поэтому аллелями будут только разные варианты конкретного локуса. Вам должно быть знакомо понятие гомология – сходство, основанное на общности происхождения, игомологи – объекты, обладающие таким сходством. В молекулярной генетики различают два типа гомологии генов. Гомологичные, но неаллельные гены в одном гаплоидном геноме, занимающие разные локусы, называются паралоги (от греческого «пара» - около, рядом). Индивидуальные же варианты одного и того же локуса у разных индивиддумов называются ортологи (от греческого «орто» - прямо, напротив; вспомните орто-пара изомеры в органике). По сути ортологи являются аллелями. Однако термином «ортолог» обычно пользуются молекулярные биологи, когда изучают гены разных видов – в тех случаях, когда можно однозначно установить, что у них имеются один и тот же локус, тогда как термин «аллель» применяют лишь к вариантом гена у одного и того же вида, или же у близких видов, которые, тем не менее, способны скрещиваться (например, пшеница и ее дикие родственники). Таким образом, аллель – понятие именно генетическое, об аллелях говорят тогда, когда они в принципе могут участвовать в скрещивании.

Зададимся вопросом - а откуда взялись паралоги? Логично и правильно предположить, что они возникли в результате дупликации генов – то есть редких случаев «размножения» гена в геноме. Естественно, всякое подобное событие, сколь угодно редкое, происходит у какой-то одной особи какого-то одного вида. В результате мы имеем ситуацию, когда у каких-то особей одного вида в геноме имеется два локуса, идентичных по первичной структуре (со временем она может накопить различия), а у других – всего один. Допустим, что две копии размножившегося гена расположились рядом, так что оба новых локуса расположены там же, где располагался один старый. И вот они начинают накапливать различия. Где и чего здесь аллели? Мы рассмотрели ситуацию, когда понятие «аллель» дает сбой, и это очень хорошо, так как тем самым мы проследили границу его применимости.

Кстати, неожиданно нетривиальный вопрос – что такое разные и одинаковые аллели. На ранних этапах развития генетики аллели распознавались только по фенотипу и разными аллелями считались только те, которые приводят к разным фенотипам. Чаще всего аллелей было два – нормальный и дефектный (мутантный), так что на ранних этапах развития генетики была популярна «теория присутствия-отсутствия» (определенной функции). Однако по мере развития генетики все больше становилось известно случаев, когда один и тот же признак обладает несколькими наследуемыми вариантами, что в конечном счете привело к появлению известного афоризма Томаса Моргана: «Одному присутствию не может соответствовать несколько отсутствий». А в случае количественных признаков, определяемых сразу многими генами, особого фенотипического проявления отдельно взятого аллеля вообще не существует. В результате остановились на том, что аллели стали считать заведомо разными, если в данном эксперименте они не унаследованы заведомо от одной и той же особи, то есть не тождественны по происхождению или таковое тождество не установлено. К примеру, ловим в природе сто с виду совершенно одинаковых особей, чтобы изучить мелкие нюансы фенотипического проявления какого-то гена, скрещиваем их со специальными тестерными линиями, переводим полученный от них изучаемый ген на идентичный генный фон, измеряем интересующий нас признак - и при этом считаем, что в опыте участвует сто разных (по происхождению) нормальных (!) аллелей (все они получены из природы от жизнеспособных особей).

Вы понимаете, что когда появилась возможность расшифровки первичной структуры исследуемых генов, вопрос идентичности аллелей перестал быть теоретическим и свелся к идентичности их первичной структуры (последовательности нуклеотидов). Если есть хотя бы одна замена – аллели разные, если нет – одинаковые, поскольку являются совершенно идентичными молекулами. Учитывая возможность накопления замен нуклеотидов, многие из которых не влияют на функцию белкового, на практике такой подход мало отличается от того, чтобы априорно считать разными любые аллели, независимо полученные от разных особей. Однако скорость возникновения замен сильно варьирует от локуса к локусу - к примеру, в некоторых локусах мы наблюдали идентичную последовательность нуклеотидов даже у аллелей, полученных от разных подвидов гороха (дикого и культурного).

Коснемся таких нестрогих, по популярных терминов, как «аллели дикого типа», «мутантные аллели» и «нуль-аллели». Вышеупомянутая «теория присутствия-отсутствия» во многих случаях вполне применима. Возьмем в для примера тот же горох. В цветах гороха есть пигмент – антоциан, который окрашивает их в розово-красный (пурпурный) цвет. Если какой-то из белков, участвующих в биохимической цепочке синтеза антоциана, дефектен или его нет, антоциан не синтезируется и цветы остаются белыми. Допустим, в некоей хромосоме есть локус, обозначим его а, в котором находится последовательность ДНК, которая кодирует один из таких белков. Обычно же говорят менее строго, но проще – в некоей хромосоме есть ген а, который кодирует один из таких белков (Такой ген с таким обозначением у гороха действительно есть и кодирует регуляторный белок, связывающийся с ДНК, а не фермент, участвующий в синтезе антоциана). Пусть у этого гена есть два аллеля, обозначим их A и a. Аллель А кодирует нормальный функциональный белок. Аллель а не кодирует функционального белка. Каким образом это возможно - мы поговорим позже, для нас сейчас важно, что этот аллель просто «не работает» - не выполняет свою молекулярную функцию, пусть нам и неизвестную. В таких случаях нормальный аллель называется диким типом. На примере с горохом этот термин вдвойне правилен. Горох – растение и культурное, и дикое (представители того же вида продолжают существовать в диком виде). И у всех диких горохов цветы пурпурные, а у культурных есть и пурпурные, и белые, но у овощных и зерновых сортов европейской селекции преобладают белые. Для аллеля, не способного образовать функциональный белковый продукт, часто также применяется термин нуль-аллель.

Бывают случаи, когда понятие «дикий тип» или «нуль-аллель» неприменимы. К примеру, у двуточечной божьей коровки Adalia bipunctata есть две формы – красная в черную крапинку и черная в красную. (Кстати, это один из классических объектов генетики популяций, введенный в эту науку Тимофеевым-Ресовским.) Обе представлены в Европейской части России, ни одну из них нельзя назвать диким типом в противовес другой. Однако не исключено, что один из этих аллелей связан с потерей молекулярной функции белкового продукта данного локуса, который, как и другие гены индивидуального развития, наверняка является фактором, влияющим на экспрессию других генов.

Далее, весьма популярне в генетике термин – мутация. Исторически понятие введено Гуго Де Фризом в значении, приближающимся к тому, которое сейчас бытует в фильмах ужасов – внезапное изменение наследственных задатков, приводящее к радикальному изменению фенотипа. Де Фриз работал с одним из видов ослинника (Oenothera), у которого, как потом выяснилось, в высшей степени оригинальная цитогенетика: вследствие множественных хромосомных перестроек весь геном наследуется как один аллель. Однако слово стало широкоупотребимым термином, и не только в Голливуде. Сергей Сергеевич Четвериков, один из основателей популяционной генетики, пользовался термином «геновариация», который более корректен, но не прижился (хотя Четвериков и был одним из отечественных генетиков, оказавших существенное влияние на мировую генетику, фактически основав популяциюнную генетику). В настоящее время под мутацией понимаетсялюбое изменение в первичной структуре ДНК – от замены одного нуклеотида до выпадения огромных частей хромосом. Хочу обратить внимание, что слово «мутация» обозначает само событие изменения. Однако в нестрогой, но живучей генетической практике, это же слово «мутация» сплошь и рядом применяют к его результату, то есть к аллелю, в результате мутации возникшему. Говорят: «В опыте участвуют дрозофилы - носители мутации white ». Никто не регистрировал само мутационное событие, приведшее к возникновению этой классической мутации – оно, кстати, связано со встройкой в ген фермента мобильного генетического элемента copia, который перемещается исключительно редко – но все продолжают говорить «мутация» вместо «мутантный аллель». Подразумевается, что некогда произошла мутация, испортившая нормальный аллель, в результате чего возник мутантный. Нетрудно понять, что «мутантный аллель» – также антоним выражения «аллель дикого типа», но более широкий, чем «нуль-аллель», так как допускает различные отклонения от аллеля дикого типа, как приводящие к полной потере молекулярной функции (те самые «несколько отсутствий»!), так и не приводящие.

Есть еще одна весьма скверная терминологическая ситуация, с которой многим из вас предстоит столкнуться. Когда мы сравниваем множество аллелей в отношении первичной структуры ДНК, то оказывается, что в некоторых позициях всегда находится один и тот же определенный нуклеотид, а в каких-то позициях возможны нуклеотидные замены. (Есть подозрение, что в геномах всех людей человечества можно найти любой нуклеотид в любой позиции, что ставит забавный философский вопрос – что же такое есть геном человека). Они совершенно корректно были названы полиморфными позициями - и действительно, каждая такая позиция проявляет альтернативную изменчивость – то есть полиморфизм - в отношении того, каким из четырех нуклеотидов она может быть занята. И это каким то образом произошла подмена понятий. «Полиморфизмом» стали называть конкретный нуклеотид в конкретной полиморфной позиции (то, что следовало бы назвать «морфой»). Стали говорить примерно так: «Просеквенировали такой то ген у стольки-то людей и нашли двенадцать полиморфизмов, два в позиции такой-то, шесть в такой-то и четыре в такой-то. Два из полиморфизмов в такой-то позиции показали достоверную связь с синдромом таким-то.» Скорее всего, такая подмена произошла на уровне лабораторного сленга, который существует в любой научной работе. Студенты, приходящие в лабораторию, иногда принимают сленг за терминологию и начинают пользоваться им на полном серьезе. В какой-то момент случается, что и автор статьи, и рецензенты в научном журнале привыкли к одинаковому сленгу, тогда он проникает в научную печать и с какой-то вероятностью закрепляется. (Картина, кстати, более чем знакомая из популяционной генетики и полностью копирующая процесс видообразования – когда в изолированной популяции случайно возникают, совпадают у разных полов и фиксируются аномалии системы распознования подходящих половых партнеров, которые становятся нормой у нового вида и приводят к его нескрещиваемости со старым.) Кроме этимологического противоречия (одна единственная морфа называется словом, указывающим на то, что морф много) и дурного вкуса такая подмена имеет и то следствие, что употребляющие этот жаргон исследователи лишили себя термина «полиморфизм» в его правильном значении. И когда возникает необходимость выразить соответствующее понятие (которое никуда не делось), вместо однозначного термина им приходится прибегать к многословным описаниям. Допустим, в ситуациях, для которых существует термин «сбалансированный полиморфизм» - когда одна из морф имеет преимущество в одних условиях, другая – в других, поэтому они сосуществуют и не вытесняют одна другую – им всякий раз приходится прибегать к длинным описаниям, подобным приведенному. На основе такого вопиюще некорректного употребления термина «полиморфизм» была создана аббревиатура – SNP – single nucleotide polymorphism, обозначающая всего лишь определенный нуклеотид в определенной позиции. Поскольку аббревиатуры вообще легко принимаются к употреблению без обращения к расшифровке – особенно на уровне сленга, данная аббревиатура стала широко употребительна, в частности в такой бурно развивающейся области как геномика, с чем уже невозможно что-либо поделать. Более того: состоя из одних согласных, она труднопроизносима, что привело к появлению и широкому принятию совершенно немотивированного ее прочтения как «снип».

В плане введения вас в традиционную и не всегда последовательную генетическую терминологию необходимо упомянуть довольно забавный термин маркер. Этот термин введен для локусов, которые важны нам не сами по себе, а постольку, поскольку они маркируют определенный район хромосомы. Появление такого термина было связано с длительным периодом времени, когда генетических локусов было известно не очень много. Он был нужен в ситуациях, когда нужно было поставить на карту только что открытый ген либо же, как это ни парадоксально звучит, работать с еще не открытыми генами. Допустим, природа генов, контролирующих хозяйственно-ценные количественные признаки растений и животных долгое время была неизвестна совершенно, да и сейчас о них известно немного. В то же время, не вызывало сомнений, что эти гены существуют и расположены в хромосомах. Манипулируя с известными локусами – маркерами – можно было выявить районы хромосом, с которыми связаны определенные эффекты на количественные признаки, и воспользоваться ими в селекционной работе. Первоначально это были в основном «видимые маркеры» – локусы, в которых имелись аллели с видимым эффектом. Однако в дальнейшем этот подход получил серьезное развитие за счет вовлечение в генетический анализ биохимических признаков (как правило, также не связанных функционально с хозяйственно-ценными признаками), а в дальнейшем за счет появления возможности работать с полиморфизмом самой ДНК хромосом. Это привело к появлению понятия «молекулярный маркер». Таким образом, термин «маркер» является всего лишь синонимом термина «локус», но подчеркивает, что этот локус интересует нас не как таковой, а лишь как ориентир на хромосоме. Однако к термину привыкли настолько, что он стал использоваться и в тех случаях, когда локус является непосредственно изучаемым объектом. Парадоксальным образом, в исследованиях по молекулярной филогении сами анализируемые последовательности также обычно называются маркерами. Можно конечно считать, что здесь подразумевается, что они всего лишь являются ориентирами во времени и нуклеотидные замены в них маркируют эволюционные события, которые, конечно же, не сводятся к изменениям только лишь в анализируемых последовательностях.