Равич-Щербо И.В. Психогенетика

Подождите немного. Документ загружается.

Наиболее отчетливо генетические детерминанты выявились в нагляд-

но-действенном плане, преобладание средовых факторов — в словес-

но-логическом. Хотя из-за малого количества близнецовых пар эти

результаты могут приниматься только как «разведка», она, по-види-

мому, показала перспективность такого пути, поскольку опирается

на определенное понимание содержания признака, его возрастных

качественных преобразований и т.д.

В эти же годы с близнецами начал работать еще один коллектив,

руководимый докторами медицинских наук Т.К. Ушаковым и Д.Н. Кры-

ловым (Институт гигиены детей и подростков Министерства здраво-

охранения СССР). Главное направление его работ — скорее медико-

биологическое, связанное с проблемами многоплодия, физического

и психологического развития близнецов, их нейрофизиологических

особенностей, — в сравнении их развития с развитием одиночнорож-

денных детей [154]. По характеристикам биоэлектрической мозговой

активности, кожно-гальванической реакции у близнецов констатиру-

ется некоторая задержка функционального созревания, которая, прав-

да, с возрастом сглаживается (по разным показателям в разном возра-

сте). Это — важные результаты, так как для того, чтобы переносить

данные, полученные при исследовании близнецов, на популяцию оди-

ночнорожденных, необходима проверка принадлежности этих двух

групп к одной генеральной совокупности, т.е. доказательство того,

что близнецы репрезентативны всей популяции своих сверстников.

Единственные в отечественной психогенетике популяционные

исследования (на изолятах Дагестана и в аулах Туркмении) проведе-

ны под руководством академика Н.П. Дубинина. К.Б. Булаева [24, 51]

исследовала широкий спектр признаков (соматических, психофизио-

логических и т.д.) в девяти селениях Дагестана, принадлежащих к

пяти этническим группам с разной степенью изолированности, раз-

ной этнокультурной и эколого-географической средой. Наиболее су-

щественны, очевидно, два полученных ею факта: а) повышение и

фенотипической, и генетической изменчивости в наиболее изолиро-

ванных и аутбредных* популяциях и снижение того и другого в уме-

ренно изолированных; б) в общей дисперсии всех исследованных

признаков доля внутрипопуляционной изменчивости существенно

выше, чем межпопуляционной.

Популяционный метод был использован и А.П. Анохиным для

исследования электроэнцефалограммы (подробнее об этом — в гл. XIII).

В необычайно интересных работах Ю.Г. Рычкова [135, 136] показа-

но, как в генофонде популяции отражается ее история, т.е. фактичес-

ки сформулирована оригинальная генетико-историческая концепция

* Аутбредными называют популяции, в которых отсутствуют браки между

родственниками.

формирования генетического полиморфизма населения. Единство био-

логического и социального реализуется в этом подходе на уровне по-

пуляций, а не индивидуумов. «В интердисциплинарной проблеме че-

ловека, — резюмировал автор, — обозначился таким образом новый,

до сего времени скрытый аспект генетических последствий для чело-

века общественно-исторического процесса» [136; с. 170].

Перечень психогенетических работ последних 10-15 лет можно

продолжить; среди них есть и экспериментальные, и генетико-мате-

матические, в некоторых рассматриваются и важные методологичес-

кие проблемы [50; 161; 12].

Совсем недавно (1995), к сожалению, уже после смерти автора,

вышла книга В.П. Эфроимсона «Генетика этики и эстетики», напи-

санная в конце 70-х годов и явившаяся своеобразным продолжением

его статьи «Родословная альтруизма», которая была опубликована в

«Новом мире» еще в 1971 г. (№ 2) и вызвала тогда бурный интерес. Он

был оправдан, поскольку автор доказывал, что в генофонде челове-

чества кодируются не только «биологические», но и такие «соци-

альные» признаки, как доброта, альтруизм, нравственное чувство,

В том же номере журнала позицию В.П. Эфроимсона поддержал один

из ведущих отечественных биологов Б.Л. Астауров, а ее критический

разбор, «размышления по поводу», дан в статье другого яркого био-

лога А.А. Любищева «Генетика и этика», включенной в упомянутую

книгу В.П. Эфроимсона.

Этот беглый обзор психогенетического поля, конечно, говорит о

возрождении и строгих исследований, и живой мысли, и полемики

вокруг одной из вечных проблем человечества — соотношения на-

следственности и среды.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

СОВРЕМЕННОЙ ГЕНЕТИКИ

Глава I

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ТЕОРИИ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Нет на свете двух одинаковых людей. Это разнооб-

разие описывается понятиями «вариативность», «дис-

персия», «индивидуальные различия» и др.; в генетике

принято, в частности, понятие

изменчивость,

которое

говорит о свойстве живых организмов существовать в раз-

личных формах (вариантах). Изменчивость обусловлена

как средовыми, так и наследственными механизмами.

Изучение наследования различных признаков и свойств

человека весьма затруднительно. Во-первых, на людях не-

возможно проводить прямые генетические и психогенети-

ческие эксперименты; во-вторых, люди относятся к числу мед-

ленно размножающихся организмов, среди которых много-

плодие встречается относительно редко. Однако, несмотря

на эти непреодолимые ограничения, науке известно уже очень

многое о наследственности человека, а наиболее существенно

то, что все общие закономерности наследования, подробно

изученные на животных, растениях и других организмах, от-

носятся и к человеку — они справедливы для всего живого.

В главах II-IV содержится краткое изложение этих общих за-

кономерностей наследования.

Наследованием

называется передача генетической

информации от одного поколения организмов к друго-

му. На основе этой информации происходит развитие

признаков организма, поэтому говорят и о наследова-

нии признаков, хотя наследуются, строго говоря, не

признаки, а гены. В основе наследования лежат процес-

сы удвоения, объединения и распределения генетичес-

кого материала.

Обычно наследование подразделяют на аутосомное (наследуемые

гены располагаются на аутосомных хромосомах*) и сцепленное с полом

(наследуемые гены располагаются на половых хромосомах). Кроме того,

различают доминантное (полное и промежуточное) и рецессивное

наследование; наследование, зависимое от пола, и наследование,

контролируемое (ограниченное) полом; наследование моногенное

(наблюдаемые различия между особями обусловлены аллелями одно-

го гена) и наследование полигенное (наблюдаемые различия между

особями обусловлены аллелями нескольких генов).

Общие закономерности наследования систематизированы в рам-

ках так называемой

хромосомной теории наследственности —

учении о

локализации наследственных факторов в хромосомах клеток. Главным

положением этой теории является утверждение о том, что преемствен-

ность свойств организмов в ряду поколений определяется преемствен-

ностью их хромосом. Центральными являются понятия «генотип», «хро-

мосома», «ген» и «аллель». Коротко рассмотрим их.

1. ГЕНОТИП И ФЕНОТИП

Понятия «генотип» и «фенотип» интимным образом связаны с

понятиями «наследственность» и «среда», но не идентичны им. Эти

понятия ввел В. Иоганнсен в 1909 г. Понятием «генотип» обозначается

сумма всех генов организма, наследственная конституция организма,

совокупность всех наследственных задатков данной клетки или орга-

низма, т.е. набор генов, состоящих из молекул дезоксирибонуклеино-

вой кислоты (ДНК) и организованных в хромосомный ряд. Генотип

организма является результатом слияния двух гамет (яйцеклетки и

оплодотворяющего ее спермия). Понятием «фенотип» обозначаются

любые проявления живущего организма — его морфологические,

физиологические, психологические и поведенческие особенности. Фе-

нотипы не наследуются, а формируются в течение жизни; они — про-

дукт чрезвычайно сложного взаимодействия генотипа и среды.

Важно отметить, что существуют единичные признаки, фенотип

которых полностью определяется их генетическими механизмами.

Примеры таких признаков — полидактилия (наличие добавочного

пальца) или группа крови человека. Однако подобных признаков со-

всем немного, и за очень редким исключением фенотип признака

определяется совместным влиянием генотипа и среды, в которой этот

генотип существует.

Для любого генотипа существует диапазон сред, в котором он

может проявить себя «максимально»; среду, одинаково благоприят-

* Хромосомы (греч. chroma — цвет и soma — тело) — линейные структуры, и

которые организованы гены в ядре клетки; хромосомы можно окрашивать, и вслед-

ствие этого они становятся видимыми под микроскопом.

ную для всех генотипов, найти нельзя. Дело не в обогащенности сред,

а в их качественном разнообразии. Сред должно быть много, чтобы у

каждого генотипа была возможность найти «свою» среду и реализо-

ваться. Однообразная среда, какой бы обогащенной она ни была, бу-

дет благоприятствовать развитию только определенных, а не всех ге-

нотипов.

2. ГЕНОТИП, ГЕН, АЛЛЕЛЬ

До сих пор мы использовали широкое определение генотипа, а

теперь обратимся к его узкому определению. В узком смысле генотип

есть совокупность аллелей гена или группа генов, контролирующих

развитие и проявление анализируемого признака у данного организма.

Ген (греч. genos — род, происхождение) представляет собой еди-

ницу генетического материала. Гены выполняют несколько функций,

одна из которых заключается в кодировании первичной структуры

полипептида (белка) (гл. IV).

В основе формирования молекулы любого белка лежат всего четы-

ре химических вещества, а именно четыре азотистых основания (аде-

нин — А, гуанин — G, тимин — Т и цитозин — С). В организме эти

азотистые основания — нуклеотиды — образуют дезоксирибонуклеи-

новую кислоту (ДНК), а гены представляют собой участки ДНК, раз-

личающиеся порядком расположения этих оснований.

У всех живых организмов сходные системы осуществляют сначала

транскрипцию (переписывание), а затем трансляцию (перевод) гене-

тической информации, хранящейся в генах. Результатом этих двух

процессов является производство белков, состоящих из разных ком-

бинаций 20 главных аминокислот. Изменение структуры даже одного-

единственного гена (мутация) может привести к синтезу видоизме-

ненного белка, который во многих случаях утрачивает или меняет

свою биологическую функцию. Последствия подобных явлений обна-

руживаются как определенный фенотип. Кроме того, часто бывает

так, что изменение одного белка вызывает цепную реакцию в орга-

низме, приводя к изменению множества фенотипических признаков

(так называемый феномен плейотропии).

Мутации

(лат. mutatio — изменение) — это внезапные, естественные или

вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала,

приводящие к изменению тех или иных фенотипических признаков организ-

ма. Основы учения о мутациях были заложены голландским ботаником Де

Фризом в 1901-1903 гг. Согласно его мутационной теории, мутация возника-

ет внезапно, без всяких переходов; мутантные формы представляют собой

вполне устойчивые качественные изменения; они действуют в разных на-

правлениях и могут быть полезными или вредными; одни и те же мутации

могут возникать повторно. Мутации присущи всем живым организмам. Мо-

лекулярные механизмы мутаций (гл. IV) стали выясняться с развитием моле-

кулярной биологии с середины XX в.

Мутации называются прямыми, если их проявление приводит к отклоне-

нию признаков от дикого типа (см. далее), и обратными (реверсивными),

если их проявление приводит к полному или частичному восстановлению

дикого типа.

Существует несколько классификаций мутаций. Нередко мутации разде-

ляют на генные (гл. IV и V), хромосомные (гл. I и III) и геномные (гл. Ill) в

соответствии с уровнями носителей генетической информации. К генным

относятся все мутации, происходящие на уровне нуклеотидов ДНК (или РНК).

В такие мутации обычно вовлечен один ген. К хромосомным мутациям отно-

сятся хромосомные перестройки, вовлекающие участки хромосом (т.е. не-

сколько генов). Наконец, к геномным мутациям относят изменение числа хро-

мосом. В зависимости от природы мутаций, их разделяют на спонтанные и

индуцированные (гл. III). Кроме того, мутации подразделяют на морфологи-

ческие, биохимические, летальные и т.п. (в зависимости от фенотипического

проявления мутаций); на доминантные и рецессивные (в зависимости от типа

наследования мутантных признаков); на гаметные (генеративные, т.е. проис-

ходящие в половых клетках), соматические (происходящие в соматических,

т.е. любых неполовых, клетках), ядерные (затрагивающие хромосомы ядра) и

цитоплазматические (затрагивающие генетический материал митохондрий,

пластид и других цитоплазматических органоидов клетки).

Ген может существовать в нескольких структурных состояниях (ал-

лелях).

Аллели

(греч. allenon — различные формы) — это альтернативные

формы гена, определяющие альтернативные формы одного и того же

признака. Они возникают в результате изменений структуры гена за

счет таких генных процессов, как мутация и рекомбинация (гл. IV, V).

Аллели, обусловливающие развитие признаков, типичных для вида,

называют аллелями дикого типа, а происходящие от них аллели —

мутантными. Качественное отличие аллелей друг от друга проявляет-

ся, в частности, на биохимическом уровне. Иными словами, если

провести сравнительный биохимический анализ белков, формируе-

мых разными аллелями одного гена, то они будут отличаться друг от

друга по каким-нибудь признакам, например по составу нуклеотидов

(гл. IV). Несколько неточной, но тем не менее иллюстративной анало-

гией соотношения понятий «ген» и «аллель» может служить аналогия

из ботаники: понятие «ген» в этой аналогии соответствует понятию

«семейство», а понятие «аллель» — понятию «конкретное растение,

относящееся к этому семейству». Иначе говоря, ген — понятие соби-

рательное, «родовое», а его конкретным воплощением является ал-

лель, т.е. реально гены существуют только в форме аллелей.

В норме у каждого человека имеется два аллеля каждого гена — по

одному аллелю на каждой из хромосом. Но в популяциях (гл. V) каждый

ген может встречаться в виде множества аллелей. Наличие нескольких

аллелей каждого гена в популяциях обеспечивает определенный уро-

вень

генетического полиморфизма

(например, три аллеля обусловливают

существование четырех групп крови у человека) и комбинативной из-

менчивости (закон независимого наследования признаков; см.: гл. II).

Даже из одной пары аллелей

(А, а)

можно составить несколько

комбинаций

(АА, аа, Аа).

Когда организм является носителем двух

аллелей дикого типа

АА

или двух мутантных аллелей

аа,

то говорят,

что этот организм

гомозиготен*

по аллелю А или по аллелю

а.

Если же

организм содержит один аллель

и один аллель

а,

то его называют

гетерозиготным*.

Существует несколько типов взаимодействия аллелей, ведущими

среди которых являются доминантность и рецессивность.

Доминантностью

называют участие только одного аллеля в опре-

делении фенотипического признака у гетерозиготной особи. Этот тип

взаимодействия аллелей был открыт еще Г. Менделем в его первых

классических опытах (гл. II). Доминантные аллели обозначаются заг-

лавными буквами

А, В

и т.д. При отсутствии доминирования в строгом

смысле этого слова (т.е. когда признак, исследуемый у гибрида, не

повторяет признак, имеющийся у родителей, при любом сочетании

аллелей) обычно различают проявление следующих вариантов фено-

типа: неполное доминирование, сверхдоминирование и кодоминант-

ность. Типы доминантности отличаются друг от друга по степени вы-

раженности фенотипов гомозигот и гетерозигот. При доминантности

фенотип гетерозиготы

(Аа)

повторяет фенотип гомозиготы по доми-

нантному аллелю

(АА);

при неполном доминировании фенотип гете-

розиготы

Аа

по своей выраженности занимает промежуточное поло-

жение между фенотипами

АА

Аа;

при сверхдоминировании наибо-

лее сильно фенотипический признак выражается у

Аа

(сильнее, чем у

любой из гомозигот

АА

аа);

наконец, при кодоминантности в детер-

минации признака у гетерозиготы

Аа

участвуют оба аллеля.

Рецессивностью

называют отсутствие фенотипического проявле-

ния одного аллеля у гетерозиготной особи, Рецессивные аллели обо-

значаются малыми буквами

а, в

т.д.

Человек является носителем пары аллелей каждого гена, а по на-

следству своим потомкам он передает только один аллель, поскольку

половые клетки (яйцеклетка или спермий) содержат по одной хромо-

соме каждой пары. Этот механизм обеспечивает случайное переком-

бинирование аллелей в каждом последующем поколении, в результа-

те чего ни один потомок не воспроизводит полностью генетическую

индивидуальность своего родителя. Таким образом, разные аллели со-

четаются у конкретного человека только на исторически короткий

временной промежуток — на период существования этого человека

как организма.

Для нормального развития и функционирования человеческого

организма необходима координация усилий, по крайней мере,

100 000 генов. Упрощая ситуацию, представим, что каждый из этих

генов имеет, по крайней мере, один вариант, встречающийся только у

* От греческих слов, обозначающих соответственно «подобный» и «непохожий».

одного человека из тысячи (т.е. каждый ген имеет два аллеля, один из

которых встречается часто, а другой редко). Вероятность того, что у

случайно взятого человека не будет найдено редких вариантов ни од-

ного из генов, составит (1 - 0,001)

100000

= 3,54е

-44

, т.е. бесконечно

малую величину. Отсюда можно с определенной уверенностью ска-

зать, что каждый из нас наверняка отличается от всех своих нерод-

ственников по крайней мере одним геном. Обратите внимание на то,

что данные расчеты были проделаны при весьма консервативном пред-

положении о том, что все гены представлены только двумя альтерна-

тивными формами (т.е. каждый ген имеет лишь два аллеля). Однако

существует множество генов, для которых сегодня известно множе-

ство (иногда до 40) аллелей; большинство из 100 000 генов, необхо-

димых для развития человеческого организма, отличаются удивитель-

ным богатством альтернативных форм. Если же мы проведем расчеты,

подобные проведенным выше, для генов с большим количеством алле-

лей, то станет понятно, что вероятность появления двух генетически

одинаковых людей, даже родственников, практически нулевая. Можно

смело утверждать, что за исключением однояйцевых близнецов, разви-

вающихся из одной оплодотворенной яйцеклетки и потому являющих-

ся генетически идентичными индивидуумами, мы генетически непов-

торимы; генетическая индивидуальность каждого из нас уникальна.

3. ХРОМОСОМЫ

Каким же образом осуществляются хранение и передача по на-

следству такого невероятно большого количества генов, вовлеченных

в развитие и формирование человеческого организма? В ядре клетки

гены не «свалены в кучу», а

организованы в линейные

структуры — хромосомы,

которые представляют со-

бой продолговатые вытяну-

тые тельца (рис. 1.1). По сво-

ей структуре все хромосомы

человека трехчленны, т.е.

содержат короткое плечо,

длинное плечо и центроме-

ру (рис. 1.2). Гены человека

распределены в строго уни-

версальном порядке по

23 парам хромосом; хромо-

сомы, составляющие пару,

называются

гомологичными

хромосомами.

Каждая хромо-

сома из пары получена от

Рис. 1.1.

Хромосомы человека. 22 пары ауто-

сом, одинаковых у обоих полов, и по одной паре

половых хромосом:

XX—

у женщин,

— у

мужчин (фотография сделана при увеличении

примерно в 2000 раз).

Рис. 1.2.

23 пары хромосом человека.

Короткое плечо (вверх от центромеры) — плечо

р,

длинное плечо (вниз от центроме-

ры) — плечо

Окрашенные с помощью специальных химических веществ диски на

хромосомах используются для опознания хромосом и описания хромосомных коорди-

нат генов. Хромосомные координаты задаются посредством упоминания номера хро-

мосомы, ее плеча и номера диска. Например, символ

6р25

означает: диск 5 на локусе 2

короткого плеча хромосомы 6.

— половые хромосомы.

одного из родителей, т.е. одна хромосома в организм человека прихо-

дит от отца, вторая — от матери. Двадцать две пары хромосом называ-

ются аутосомами, их набор одинаков для особей мужского и женско-

го полов. Двадцать третья пара — это пара, которая определяет пол и

соответственно различается по своей структуре у мужчин и женщин:

женщины являются носителями двух

-хромосом, а мужчины — од-

ной

Х-

и одной

-хромосомы (рис, 1.2).

Число хромосом в клетках тела человека в два раза больше, чем в

его половых клетках — гаметах. Следовательно, в гамете каждый ген

представлен только одной копией; иначе говоря, каждая гамета со-

держит лишь один аллель данного гена. В процессе формирования га-

мет хромосомный набор делится случайным образом надвое, хромо-

сомы каждой пары расходятся по разным половым клеткам, и каждая

гамета получает, таким образом, случайный набор хромосом, а сле-

довательно, случайный набор генов.

При слиянии гамет образуется зигота — оплодотворенная яйце-

клетка, в которой оказывается по две хромосомы каждого типа, обра-

зующие пары гомологичных хромосом — по одной от мужской и жен-

ской гаметы. Оплодотворенное яйцо диплоидно, как и подавляющее

большинство клеток организма, которому (путем клеточного деле-

ния, или митоза) оно дает начало; диплоидны, в частности, и те

клетки, из которых затем образуются гаметы. Каждая из таких гамето-

образующих клеток претерпевает особое деление — мейоз. В процессе

мейоза гомологичные хромосомы обмениваются участками (кроссин-

говер), так что четыре гаметы, происходящие от клетки-прародите-

ля, могут содержать разные комбинации генов. Этот обмен — одна из

многих «лотерей» наследственности, разыгрываемых природой (под-

робнее об этом — в гл. IV). Еще одна «лотерея» разыгрывается, напри-

мер, в момент встречи мужской и женской клеток. Если не принимать

в расчет кроссинговер, то теоретически может возникнуть 2

, т.е. при-

мерно 8 миллионов, различных равновероятных комбинаций хромо-

сом. Следовательно, при оплодотворении число равновероятных ком-

бинаций может достигать 8·10

х 8·10

= 64·10

(64 триллиона комби-

наций). Кто из нас может представить себе такое число? Таков еще

один «прием» природы, обеспечивающий нашу неповторимость: каж-

дый из нас, как и наши родители, дедушки, бабушки и их предки,

является продуктом уникальной генетической комбинации.

Митоз

(греч. mitos — нить) происходит следующим образом: в процессе

деления клетки делятся на две «дочерние клетки», каждая из которых, в свою

очередь, еще раз делится на две клетки, и т.д. Биологическое значение мито-

за состоит в строго одинаковом распределении редуплицированных (точно

скопированных) хромосом между дочерними клетками, что обеспечивает об-

разование генетически равноценных клеток и сохраняет преемственность в

ряду клеточных поколений.

Большинство клеток нашего организма проходят типичный клеточный цикл,

длящийся в среднем примерно 24 часа (примерно 8 часов занимает стадия