Глава 3. НАСЛЕДОВАНИЕ В ПОПУЛЯЦИИ
3.1. ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА НА ПОПУЛЯЦИОННОМ УРОВНЕ
В методологии популяционной генетики имеют дело с большими совокупностями особей, гетерогенными по своему генетическому составу. Исследование генетики популяций начинается и нередко заканчивается оценкой их наследственного разнообразия. Для надежной оценки необходимо долговременное изучение представительных выборок организмов, различающихся по полу, возрасту, другим особенностям. Желательно, чтобы анализ охватывал рад последовательных поколений.
Количественная характеристика популяций возможна лишь на базе генетических различий, которые могут быть относительно просто и четко идентифицированы, как, например, мутационные изменения. Поэтому переходы на новые этапы в развитии генетики популяций каждый раз были связаны с разработкой новых методов учета мутационных изменений.
В экспериментальной генетике популяций в период ее возникновения использовался метод инбридинга для выявления скрытых морфологических мутаций. Именно таким путем высокая генетическая гетерогенность была обнаружена С.С. Четвериковым с сотрудниками в популяциях дрозофилы, Э. Бауром в популяциях львиного зева, их последователями в популяциях других видов растений и животных.
Во второй половине 20-х годов Г. Меллер, а затем и другие генетики сконструировали шестерные линии дрозофилы для строгого количественного учета не только видимых, но и физиологических мутаций, влияющих на жизнеспособность (рецессивные летали, полулетали, субвитали) и плодовитость (рецессивные мутации стерильности). К классическим методам учета таких мутаций относятся методы ClB и CyL/Pm. Биологические особенности дрозофилы, так же как тщательная ее изученность в генетическом отношении, обусловили ведущую роль этого объекта в развитии популяционной генетики. Большое значение имело обнаружение в 1934 г. Т. Пайнтером гигантских политенных хромосом в ядрах клеток слюнных желез дрозофил. Это открыло глубокие перспективы не только для цитогенетики, но и для генетики популяций. Со второй половины 30-х годов исследования хромосомных перестроек, прежде всего инверсий, в популяциях дрозофил были начаты во многих лабораториях. Вполне закономерно, что исследователи, внесшие наиболее крупный вклад в популяционную генетику, экспериментировали именно с дрозофилой. В их числе С.С. Четвериков, Н.В. Тимофеев-Ресовский, Ф.Г. Добржанский, М. Демерец, Н.П. Дубинин, С.М. Гершензон.
Внедрение в середине 60-х годов метода гель-электрофореза для выявления генетически контролируемого полиморфизма по белкам означало переворот в генетике популяций. Суть метода заключается в разделении в полиакриламидном, крахмальном или в каком-либо другом геле родственных белков (изозимов), различающихся по электрофоретической подвижности вследствие мутационной замены отдельных аминокислотных остатков.
Рис. 3.1. Схема прибора для проведения гель-электрофореза (по Ф.X. Айале, 1981): 1 — окрашенные полосы, соответствующие разным фракциям ферментов, 2 — лунки для проб, 3 — гель, 4 — электрод, 5 — сосуд для буфера, 6 — контактный фитиль
На рис. 3.1 показана схема прибора для проведения гель-электрофореза. Образцы органов или тканей растений, животных гомогенизируют, экстрагируют растворимые белки и наносят на гель. Под воздействием постоянного электрического поля в течение нескольких часов происходит разделение отдельных фракций белков. Их выявляют по способности реагировать с субстратами, дающими цветные реакции. В результате изозимы одного фермента обнаруживаются на электрофореграммах в виде окрашенных полос, отстоящих от стартовой позиции на разном расстоянии (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Электрофореграмма аллозимов димерного белка малатдегидрогеназы у гомозиготных (FF или SS) и гетерозиготных (FS) особей Drosophila equinaxialis (по Ф.X. Айале, 1981): номера мух, гомозиготных FF— 2, 4, 8—10, 12, 15, 19, 20, 22; гомозиготных SS— 1, 3, 5, 11, 21; гетерозиготных FS — 6, 7, 13, 14, 16—18
Благодаря методу гель-электрофореза генетики-популяционисты впервые получили в свои руки многочисленные маркеры, которые давали однозначное соответствие генотипическим различиям на уровне отдельных локусов. При этом для их идентификации не требовалось применения сложных методик, постановки громоздких систем скрещиваний. Фореграммы тех или иных белков могли быть получены на любом объекте независимо от степени изученности его частной генетики.
С середины 80-х годов началась разработка методов выявления гипервариабильных последовательностей ДНК человека и животных, — так называемая генная дактилоскопия. В составе гена, кодирующего один из мышечных белков человека — миоглобин, английский ученый А. Джеффрис с сотрудниками обнаружил необычный участок, получивший название минисателлитной ДНК. Этот участок включает от одной до нескольких тысяч одинаковых копий. Каждая копия построена из 16 нуклеотидов, расположенных в одной и той же последовательности. Набор в геноме минисателлитных ДНК, различающихся по длине и распределенных по разным хромосомам, насчитывает несколько их десятков. Важно то, что для каждого человека характерен свой, присущий только ему вариант набора таких участков. В то же время нет двух людей, за исключением однояйцовых близнецов, с одинаковыми наборами минисателлитной ДНК. У родственных особей их рисунок ближе, чем у неродственных. Сходная картина выявлена у мышей, кошек, собак и других животных.
А.П. Рысковым, С.А. Лимборской и их сотрудниками найдена новая проба (зонд) для генной дактилоскопии — участок ДНК бактериофага M13. Принцип его строения оказался сходным со строением минисателлитной ДНК Джеффриса. Отличие заключено в последовательности нуклеотидов, составляющих повторяющееся звено. Не находит пока объяснения удивительный факт универсального распространения данного гипервариабильного участка у совершенно различных представителей органического мира — от бактерий до человека. Однако независимо от этого возможности использования методов генной дактилоскопии, в том числе и для целей генетики популяций, очень велики. Исследования в данном направлении только еще разворачиваются.
В течение нескольких десятилетий существует направление, связанное с применением методов генетики количественных признаков для анализа изменчивости в природных популяциях. Для его проведения в популяциях выделяют группы особей, связанных той или иной степенью родства. В нашей стране это направление развивают В.А. Драгавцев, Н.В. Глотов, Л.А. Животовский, М.М. Магомедмирзаев и другие генетики.
Наконец, следует сказать о фенетике — области популяционной биологии, изучающей внутривидовую изменчивость особого рода. Имеются в виду дискретные альтернативные признаки — фены, генетический анализ которых затруднен или пока вовсе невозможен. Примерами таких фенов могут служить мелкие изменения скелета у млекопитающих — формы отдельных костей, отростков, отверстий для кровеносных сосудов и нервов, швов черепа; форма и расположение щитков на теле ящериц и других пресмыкающихся; характер жилкования крыльев у перепончатокрылых, стрекоз и других насекомых. Это направление, созданное А.В. Яблоковым, получило теперь широкое развитие.
Однако, подчеркнем еще раз, главная задача генетики популяций заключается в анализе дискретной мутационной изменчивости. Каким образом формируется и поддерживается эта изменчивость в популяции? Каковы закономерности ее наследования на популяционном уровне? Для ответа на эти вопросы требуется прежде всего умение надежно выделять генотипические классы особей, контролируемые аллелями одного гена. Знание частот встречаемости в популяции таких генотипических классов позволяет определять частоты аллелей. Частота аллелей — исходное понятие в популяционной генетике. Как справедливо указывает Р. Левонтин (1978), «если нельзя определить частоту альтернативных аллелей в разных локусах, в разных популяциях и в разные периоды истории данной популяции, то вся теория популяционной генетики остается абстрактным упражнением… Теория эволюционной генетики — это теория исторических изменений частот генотипов».
