Уильям Кастл: «Открытие, которое, без сомнения, является одним из великих в биологии и величайшим в изучении наследственности, было сделано Грегором Менделем, австрийским монахом, в его монастырском садике около сорока лет назад»
Несмотря на гений Чарлза Дарвина, его теории не хватало важной части — она не объясняла индивидуальные различия, которые должны передаваться от поколения к поколению. Сам Дарвин придерживался идеи пангенезиса, согласно которой признаки родителей сливались в потомстве. В этом вопросе, как Ламарк в вопросе приобретенных признаков, Дарвин ошибался. Если бы только он прочитал статью своего современника, моравского монаха Грегора Менделя!
В 1856 году, когда Дарвин начал работу над книгой «О происхождении видов», Мендель начал свои удивительные эксперименты в саду августинского монастыря Святого Фомы в Брюнне (сейчас — Брно в Чешской Республике). В течение семи лет он размножил более 29 000 растений гороха, и результаты его работы — когда их наконец-то заметил мир — сделали его основателем современной генетики.
Эксперименты Менделя
Ботаники давно знали, что некоторые растения «размножаются в чистоте», то есть их признаки, например высота или цвет, всегда передаются следующему поколению. Мендель использовал это свойство в своем исследовании изменчивости: он отобрал семь размножающихся в чистоте сортов гороха, или фенотипов, и скрестил их для получения гибридов. Например, Мендель скрещивал линии гороха, которые всегда давали гладкие семена, с линиями, дающими морщинистые семена; пурпурные цветы — с белыми; высокие стебли — с короткими. В следующем поколении, которое генетики называют F,, оставался только один признак - у потомства всегда были либо гладкие семена, либо пурпурные цветы, либо высокие стебли. Признаки родителей не сливались, как предполагали приверженцы теории пангенезиса, — один признак всегда преобладал над другим.
Затем Мендель отобрал гибриды и провел самоопыление. В поколении F2 признак, который, казалось бы, исчез, возвращался. Примерно 75 % семян гороха были гладкими, а оставшиеся 25 % были морщинистыми. Во всех семи гибридах возникало одно и то же соотношение 3:1. Результаты были настолько точными, что позднее ученые заподозрили подлог. Сейчас открытые Менделем принципы многократно доказаны, но вполне вероятно, что Мендель рано осознал важность получающегося соотношения и прекратил эксперименты, получив красивые цифры.
Мендель понял, что фенотипы передавались сдвоенными «факторами» — сейчас мы называем их генами, - часть из которых является доминантной, а часть - рецессивной. Родительские растения размножались в чистоте потому, что они несли два доминантных гена для гладких семян или два рецессивных гена для морщинистых; в терминах генетики они были гомозиготными. Их скрещивание давало гетерозиготное потомство, наследовавшее один ген каждого типа. Доминантный ген преобладал над рецессивным, и все потомство давало гладкие семена.
В поколении F2 возможны три случая. Примерно четверть растений будет нести два гена гладкого семени и, следовательно, будет давать гладкие семена. Половина будет иметь по одному гену каждого типа и тоже давать гладкие семена, поскольку этот ген является доминантным. Еще четверть растений унаследует два гена морщинистых семян и будет давать морщинистые семена: такой рецессивный фенотип может возникать только в отсутствие доминантных генов.
Законы Менделя
На основе своих результатов Мендель вывел два основных закона наследования (чтобы избежать путаницы, я буду пользоваться языком современной генетики, а не Менделя). Первый закон Менделя - закон расщепления признаков. Он заключается в том, что гены имеют два варианта, или две аллели, влияющие на фенотип, например форму семян (или цвет глаз у людей). Аллели, определяющие фенотипический признак, наследуются по одной от каждого родителя. Если наследуются разные аллели, одна из них является доминантной и проявляется, тогда, как другая является рецессивной и никак не проявляется.
Второй принцип получил название закона независимого наследования: наследование одного признака не влияет на наследование другого. Например, на гены, кодирующие форму семян, никак не влияют гены, кодирующие цвет семян. Каждый менделевский признак будет передаваться в соотношении 3:1 в соответствии со схемой доминирования генов. Оба закона Менделя не совсем точные. Некоторые фенотипы связаны и часто наследуются совместно, например голубые глаза и светлые волосы у исландцев. Более того, не все признаки укладываются в красивую схему доминирования, как было у монастырского гороха. Но эти законы являются очень хорошей отправной точкой.
Гены, расположенные в разных хромосомах, действительно наследуются независимо — согласно второму закону, и существует множество болезней, подчиняющихся первому закону. Такие нарушения называются менделевскими (или генными) заболеваниями, и к ним относится, например, болезнь Хантингтона, которая всегда проявляется у людей, несущих одну копию доминантного мутированного гена. Муковисцидоз вызывается рецессивной мутацией и опасен, только если человек унаследовал от каждого из родителей по одной рецессивной аллели.
«Менделизм добавил в созданную Дарвином теорию недостающие детали» Рональд Фишер
Отказ, невежество и повторное открытие
Мендель прочитал свою статью о наследовании в Обществе естественной истории Брюнна в 1865 году. Она была опубликована через год. Но тогда как работа Дарвина стала сенсацией, статью Менделя практически никто не прочел, а те, кто все-таки прочитал, не поняли ее значимости. Работа Менделя вышла в сборнике, в котором статьи рецензировал именно Дарвин, но как раз работу, которая, по сути, подводила основу под его теорию, он пропустил. В 1868 году Менделя выбрали настоятелем, и он оставил свою работу с горохом, хотя и сохранил убежденность в ее важности. Незадолго до своей смерти в 1884 году он сказал: «Моя научная работа принесла мне глубокое удовлетворение, и я уверен, что вскоре ее оценит весь мир».
Он оказался прав. В XX веке Хуго де Фриз, Карл Корренс и Эрих фон Чермак независимо друг от друга разработали теории, близкие теории наследования Менделя, и признали его первенство. Родилась новая наука.
Менделевское наследование у человека
База данных «Менделевское наследование у человека онлайн» (OMIM) содержит более 12 000 человеческих генов, которые предположительно передаются по менделевским законам с доминантной и рецессивной аллелями. На момент выхода книги 387 генов были секвенированы и соотнесены с конкретными фенотипами, включая нейтральные признаки, например цвет глаз, и такие нарушения, как болезни Тея-Сакса и Хантингтона. Известно, что несколько тысяч других фенотипов также наследуются по Менделю, однако участки генома, отвечающие за эти признаки, еще нужно идентифицировать или картировать. Примерно 1 % новорожденных страдает от менделевских заболеваний, являющихся результатом изменчивости единственного гена.
Взаимодействие аллелей
Не все признаки, управляемые единственным геном, подчиняются законам Менделя. Некоторые гены характеризуются неполным доминированием, то есть фенотип гетерозиготного организма, несущего по одной копии доминантной и рецессивной аллели, будет промежуточным. Гвоздики с двумя аллелями, кодирующими красные цветы, будут красными, гвоздики с двумя аллелями, кодирующими белые цветы, будут белыми; гвоздики с двумя разными аллелями будут розовыми. Гены также могут быть кодоминантными. В этом случае у гетерозигот будут проявляться оба признака. По этому принципу работают группы крови человека: аллель 0 является рецессивной, а А и В - кодоминантными. В результате А и В подавляют 0, но человек, унаследовавший одну аллель А и одну аллель В, будет иметь группу крови АВ.
