Лекция 12. ГЕНЕТИКА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

(курс лекций "Общая биология", читавшийся О.Э. Костериным на первом курсе психологичесого факультета НГУ в 2006-2011 гг.)

Как вы, возможно, заметили, логика изложения биологии в этом курсе была принята довольно стандартная – снизу вверх, от атомов к молекулам и макромолекулам, далее – к структурам клетки, к жизни самой клетки и далее – к многоклеточному организму. Принципов построения многоклеточного организма мы не касались, но у вас есть курсы анатомии и физиологии нервной системы (а у человека это одна из самых эволюционно продвинутых систем) – и там все принципы налицо. Сейчас нам надлежит перейти к генетике.

Когда мы знаем принципы организации жизни до конца, наш порядок изложения получается органичным и естественным. В эти принципы входит и механизм функционирования нуклеиновых кислот как носителя информации прежде всего о разнообразных белках и рабочих РНК (последние казались гораздо менее разнообразными, пока не были открыты малые РНК), и не только об их структуре, но и о том, когда, где и сколько тех или иных белков должно синтезироваться. Причем управление этими процессами осуществляется опять-таки с помощью определенных белков. Здесь действует каскадный принцип разворачивания генетических систем управления – гены кодируют белки, необходимые для того, чтобы управлять генами, которые кодируют другие белки и т. д. Поскольку почти все вообще в организме делается белками (плюс некоторыми РНК), то получается, что фактически в нуклеиновых кислотах записана информация обо всем организме вообще. (Но считывание этой информации невозможно без ранее синтезированных белков.) И мы с вами уже примерно разобрали, как это в принципе реализовано.

Этот порядок изложения полностью совпадает с тем порядком, в котором развивалась сама жизнь. Сначала это были какие-то «простые» (но лишь по сравнению с тем, что из них потом возникло) системы из самовоспроизводящихся макромолекул, по-видимому, нуклеиновых кислот. Потом им случилось окружить себя мембраной, что позволило им строить свой собственный микромир внутри нее. Так возникли клетки. Все большую роль в функционировании этих первых живых существ приобретали белки, но контроль полностью сохранился за нуклеиновыми кислотами. Клетки усложнялись и научились делиться все более правильно. После деления они иногда не расходились, образовывая колонии. Перед этими колониями возникали все более сложные проблемы в связи с их размерами и формой – всем клеткам в колонии нужно было доставить все необходимое для жизни. Разрешение этих проблем было достигнуто за счет определенной структуры колоний и разделению труда между составляющими их клетками. Простые колонии превратились в государства клеток, т. е. в многоклеточные организмы. Были решены также проблемы их самовоспроизведения как сложных структур, причем это удалось реализовать так, что каждый организм мог развиваться из одной клетки посредством разворачивания сложной генетической программы, регулирующей деления клеток и взаимодействия между ними.

Однако в своем изложении биологических знаний мы отвлеклись от того, каким образом они были получены. А получены они были по мере развития науки в прямо противоположном направлении – от организмов к органам, клеткам, макромолекулам и атомам. По мере погружения на каждый из этих уровней ученые могли только делать догадки о том, как устроен уровень более глубокий. Когда-то максимум, что они могли сделать, это вскрыть тело, посмотреть на органы и предположить, как они работают. Когда открыли клетки, сначала считали, что они заполнены пустотой. Потом открыли протоплазму, но сначала видели ее только как вязкую жидкость, в которой, однако же, каким-то таинственным образом содержалась сущность жизни. Открыли ядро и органеллы клетки. Нашли красители, которые по-разному их красят, и тем самым подступились к их химическому составу. В конце ХIХ в. обнаружили нуклеиновые кислоты и выяснили их грубый химический состав, но их структура была одной из самых жгучих загадок, разгадка которой выглядела столь блестяще. На этом погружение в глубь биологии, пожалуй, прекратилось. Пришел период накопления частностей на этом углубленном молекулярном уровне. Частностей оказалось необычайно много. Сейчас мы переживаем период, когда это огромное количество частностей начинают соединять в некую связную картину – модель устройства живого организма. Причем эта модель столь сложна, что ее построение невозможно без мощных современных компьютеров. Тем не менее, во второй половине ХХ в. все основные принципы были открыты.

Таким образом, наш порядок изложения биологии совпадает с эволюцией самой жизни, но прямо противоположен тому порядку, в котором биология развивалась как наука. Однако, для того чтобы изложить генетику, нам придется несколько нарушить порядок изложения, поскольку генетика являет собой яркий пример движения «сверху вниз».

Генетику можно определить как науку о наследственности. И нетрудно заметить, что в некотором смысле мы с ней уже ознакомились. Многие базовые понятия генетики – ген, локус, аллель, регулятор, рекомбинация и т. д. – вам уже знакомы. И действительно, когда имеешь ясное представление о том, как работает некий механизм, казалось бы, нет нужды изучать отдельную дисциплину, касающуюся только одного аспекта этого механизма. И вы знаете – генетика как отдельная дисциплина помаленьку исчезает! Можно вспомнить, как Уотсон и Крик отказались обсуждать свою модель структуры ДНК, поскольку следствия из нее были слишком велики и очевидны. Из этой структуры прямиком чуть ли не вся генетика и вытекала. Сейчас принято изучать так называемую молекулярную генетику, а именно то, как работает аппарат нуклеиновых кислот и белков. Во многих современных учебниках генетики все в основном построено по принципу: ген, как он расположен в хромосоме и что из этого следует, как он функционирует и что из этого следует. И это, конечно, правильно. Если ты купил прибор, тебе естественно потребовать к нему детальную инструкцию, а если ты вдумчивый пользователь, то еще хорошо бы и его, к примеру, полную схему. В советское время, кстати, так и было: к магнитофону прилагалась полная принципиальная схема его электронной системы в виде многократно сложенного бумажного листа. Знающий человек мог понять, что он купил, как это можно починить и усовершенствовать. Только беда в том, что полная инструкция и принципиальная схема устройства человека, предоставь нам ее господь как поставщик пользователю, оказалась бы настолько сложна, что ее не смог бы воспринять ни один человек. Пожалуй, только в принципиальной схеме кишечной палочки могли бы разобраться несколько человек в мире. Поэтому не только анализ информации такого рода, которая в последнее время стала поступать нам и без помощи господа бога, но и представление результатов этого анализа, невозможно без использования компьютеров. Тем не менее, к концу ХХ в. все основные принципы биологии были открыты, а классическая генетика силами нескольких талантливых ученых классическая развилась почти в полном виде в течение первых трех десятилетий ХХ века в качестве стройной и логичной науки, доступной людям без специальных знаний.

Классическая генетика как наука о наследственности развивалась от макроуровня к микроуровню, т. е. в том же направлении, что и вся биология. Она реконструировала схему устройства системы по ее поведению, подходя к ней как к черному ящику, как если бы в руки к ученым попали инопланетные механизмы неизвестного устройства безо всяких к ним схем и инструкций. Можно отметить две главные особенности генетики. Первое, это глубина реконструкции, которой она достигала при недостатке прямой информации об устройстве объекта. Мощь классического генетического подхода впечатляет: имея дело лишь с видимыми признаками, он позволил создать представление об умопостигаемых генах, об их размещениях в каких-то таинственных носителя, об изменениях генов и этих носителей. Отталкиваясь от картины наследования признаков, с его помощью были получено представление о структуре носителей генетической информации, передаче этой информации потомкам и превращения её в живую плоть. Вторая особенность –синтетический, а не аналитический характер генетических знаний, сама истинность которых немедленно воплощалась в создании некоего нового – организмов с новыми признаками.

Поэтому классическая генетика актуальна и важна и поныне как способ часто минимальными средствами получить максимальную информацию об устройстве объекта. Причем достаточно иметь хорошо изученную генетику немногих модельных объектов, а об остальных судить по мере сходства с ними. Генетика незаменима во всем, что касается индивидуальных различий и характеристик множеств особей одного вида. Это именно ее стихия, и именно в ней часто оказываются беспомощны те нынешние ученые, которые заменили классическое генетическое образование молекулярно-генетическим.

Основным средством классической генетики являются скрещивания. К большинству своих выводов генетики пришли, наблюдая за поведением признаков родителей и потомков, причем действия исследователя с каждым новым поколением определяются результатами, полученными на предыдущем. Поэтому генетическое исследование немного напоминает шахматную партию. Выводы, получаемые из таких исследований, были на редкость детальны и, как показало дальнейшее развитие науки, верны. Грегор Мендель в своих опытах на горохе в конце XIX в. фактически описал поведение хромосом в мейозе, не имея ни малейшего представления о хромосомах. Отношение генов к хромосомам было установлено только в начале XX в., и почти до его середины сильно подозревали, что материальным носителем наследственности являются белки. Иными словами, если прочие отрасли биологии не очень отрывались от описательного подхода, то генетика в своих моделях далеко опережала то время, когда изучаемые ею объекты можно было описывать как материальные сущности. В трагический период истории нашей страны это дало повод объявить генетику идеалистической лженаукой и отбросить нашу страну, бывшую на ее переднем крае, далеко назад, причем уничтожив лучших генетиков физически.

Такая познавательная сила классической генетики как науки, способной на основании поведения признаков в скрещиваниях делать верные выводы о поведении неких микроструктур клетки, даже не имея представления о том, из чего они состоят, связана прежде всего с тем, что генетика включает в себя много простой математики из различных ее отраслей. А это обстоятельство обязано своим существованием тем, что объектом генетики является не некая биологическая структура, а информация. Можно изучать поведение этой информации независимо от того, на каком материальном носителе она реализована. В этом смысле генетика – биологическая информатика. Раньше информатика называлась кибернетикой. И это была еще одна «лженаука», подвергшаяся гонениям при Сталине и Хрущеве, при всей разнице между ними. (К счастью, тогда она не была настолько развита в виде раздела математики, как генетика в виде раздела биологии, и как следствие в этой компании был нанесен меньший ущерб науке в целом).

Классическую генетику (иногда говорят – менделевскую, хотя то, что имеется в виду, много шире того, что открыл Мендель) можно определить как науку о наследственности, оперирующую с факторами наследственности как c абстрактными элементами системы управления развитем организма, отвлекаясь от их материального носителя и не нуждаясь в нем. Поначалу генетика состояла в одиноком подвиге единственного ученого, которого не понял ни один современник и который, в силу личного гения и разностороннего образования, одновременно и предложил плодотворную методологию, и сделал удивительное умозрительное предположение, и скрупулезно провел длительные и обширные эксперименты. Уже вскоре после переоткрытия генетики, было обнаружено, что факторы наследственности расположены в строго определенном порядке и на определенном расстоянии друг от друга в нескольких линейных структурах, количество, относительный размер и поведение которых в точности совпадало с количеством, относительным размером и поведением хромосом в мейозе. Хромосомная теория наследственности была сформулирована в 1900–1903 гг. американским цитологом Уильямом Сеттоном и немецким эмбриологом Теодором Бовери и в дальнейшем развита знаменитым американским генетиком Томасом Морганом и его школой – Мёллером, Стертевантом, Бриждесом. (Это они впервые стали проводить исследования на дрозофиле, причем сначала они планировали кроликов, но этот план не пропустил финансовый менеджер их университета.) И вот этот важный вывод, полученный столь рано, отвергался официальной наукой в СССР с конца 1940-х до начала 1960-х гг.!

Дальнейшее сопоставление умозрительных генетических карт (относительное расположение генов в этих структурах) и различных частей хромосом сделало очевидным, что гены расположены именно в них. Но классической генетике это не так уж и необходимо – ее модели, проверяемые по результатам скрещиваний, ставили гены в своего рода «виртуальные хромосомы». Так что и по сию пору для большинства объектов существуют два рода карт хромосом: физические карты, показывающие, в каких именно местах на хромосомах или молекулах ДНК действительно расположены гены, и генетические, или рекомбинационные карты, реконструирющие взаимное расположение генов по результатам скрещиваний. Порядок генов в этих двух типах карт полностью совпадает, относительные расстояния между ними – далеко не всегда, и этому имеется вполне исчерпывающее объяснение, о чем сказано будет позже. Для нас важно, что классическая генетика свидетельствует о том, что гены расположены в хромосомах, но не особенно нуждается в хромосомах как таковых для своих остальных выводов.

Как наука об информации и управлении, классическая генетика даже структуру имеет подобную математике. Она вся держится на системе четко определяемых умозрительных понятий (в отличие, к примеру, от цитологии, которая строится от видимых глазом эмпирических фактов). Конечно, генетические понятия вводятся на основе наблюдаемых фактов. Но вводятся они именно как математические понятия. Понятий и соответствующих им терминов, зачастую весьма чудных, в генетике много. Но они действительно нужны. И, будучи введенными, они практически исчерпывают предмет. В каждом конкретном случае достаточно сопоставить наблюдаемое явление с подходящим понятием, и все становится ясно. Пожалуй, в качестве учебника по генетике мог бы служить хороший толковый словарь генетических терминов. Рассмотрим эти базовые понятия. Скорее всего, в жизни вам не придется решать генетические задачи. А вот принимать участие в разговорах, где будет упоминаться слово «ген», обязательно придется. И будет полезно уяснить, что это такое.

Начнем наиболее важного в генетике понятия. Вы будете удивлены, но это понятие признак. Важность его очевидна - ведь именно признаки наследуются. Генетика как наука началась именно в тот момент, когда Грегор Мендель начал анализировать отдельные признаки, а не всю наследственность как единое целое. Скажите, что такое признак? И сколько их может быть? Признак – это все что угодно, связанное с особью, лишь бы был способ как-то его зарегистрировать. Рост, вес, цвет, высота крика, половина длины хвоста, прибавленная к квадратному корню из трети длины носа, количество волосков в бороде, форма норы или муравейника, количество самцов, преследующих одну самку, продолжительность времени, в течение которого можно не дышать под водой, количество любовников у матери или дочери изучаемого субъекта (Я не шучу – среди признаков носителей определенного варианта одного из рецепторов к медиатору мозга фигурировала высокая частота признака «вырос без отца»).

Выбор огромен, но чем удачнее, мудрее или остроумнее вы выберете признак, тем больше информации узнаете из опыта. Понятно, что прибавлять квадратный корень из длины носа к длине хвоста не следует, так как обе длины имеют одну и ту же размерность, и вы получите математическую абракадабру. А вот если прибавлять к длине хвоста кубический корень из массы тела, то это имеет больше смысла, ведь масса зависит от куба линейных размеров и, извлекши кубический корень, мы получим величину, соизмеримую с длиной хвоста, а сложив две упомянутые величины, получим некое мерило линейных размеров.

Легко понять, что далеко не все признаки из их бесконечного разнообразия одинаково информативны. Некоторые информативны одинаково, но ничего друг к другу не добавляют. К примеру, если взять два таких признака: длина правой ноги и длина левой ноги, то даже интуитивно понятно, что хотя две ноги и могут слегка различаться по длине, второй мало что добавит к первому. Возьмем такие признаки: длина левой ноги и рост. Что мы можем сказать о них? Чем больше рост, тем больше длина ног,– это совершенно очевидно. Рост и длина ног коррелируют – не более, но и не менее того. И действительно, если возьмем выборку людей, померим рост и длину ног и вычислим коэффициент корреляции, то он будет довольно близок к единице и высокодостоверен. Но мы знаем, что люди вообще-то бывают коротконогие и длинноногие. И если мы возьмем рост и отношение длины ног к росту, то получим два совершенно независимых признака – линейные размеры и длинноногость, которые могут наследоваться независимо.

У нас появилось отношение двух измеренных величин. Как правило, работа со многими признаками сразу требует корректной математической обработки. Для такой обработки не очень удобно иметь дело с отношениями. Но зато есть набор математических методов, называемый многомерной статистикой (в частности, метод главных компонент), который позволяет из N любых измеренных нами признаков путем их сложения с вычисляемыми из этого же самого опыта коэффициентами получить новых составных признаков, которые не будут коррелировать друг с другом вообще. Это означает, что каждый из них будет нести независимую информацию. И если мы посмотрим на то, как составлены N этих новых признаков, то увидим, что один из них отражает, к примеру, линейные размеры (сюда войдут всякие длины тела, рук, ног и т. д.), другой – толщину, третий – неравномерность толщины (выраженность талии, бедер и бюста), четвертый – относительные размеры головы, пятый – смуглость кожи и т. д. Такие признаки наиболее информативны.

Признаки могут быть самыми разными, однако они распадаются на два больших класса – качественные, или альтернативные, и количественные, или континуальные. Признак является качественным в том случае, когда изменчивость проявляется существовании нескольких альтернативных вариантов признака, то есть в принадлежности особи к определенному четкому классу, причем отнесение ее к одному из классов не вызывает сомнений. К примеру, можно выделить два таких класса особей человека как мужчины и женщины. Женщин тоже можно разделить на несколько альтернативных классов. Допустим, одета девушка в брюки или ее ноги одеты в цилиндрический кусок материи – платье или юбку. Получаем два класса. Последний случай можно разбить на два класса – одета в платье или в юбку. Получаем три класса женщин. Женщины наверняка могут выделить много классов относительно одежды и при этом не испытают ни малейших затруднений в классификации. Классические примеры: цветы гороха – белые или пурпурные, глаза дрозофилы – опять-таки белые или пурпурные; забавно, но оба органа могут быть еще и розовыми, и это еще одно состояние качественного признака, отдельный класс. В тех случаях, когда можно выделить качественные (альтернативные) признаки, а особи, принадлежащие к разным классам (вариантам) регулярно встречаются в природе, принято говорить о полиморфизме, а сами классы (варианты) этих признаков обычно называть морфами, или формами. Это одно и то же слово, по-гречески и по латыни, но значение последнего термина несколько более расплывчато, и его лучше избегать.

Мы упоминали о трех четких классах цвета гороховых цветков – белый, пурпурный и розовый. Но вот на улице Золотодолинской растут яблони с пурпурными лепестками. А бывают яблони с розовыми, со слегка розоватыми и белыми лепестками. В случае гвоздик, продаваемых в ларьках, нам кажется, признак цвета цветков качественный– там бывают красные, белые, розовые и белые с красной оторочкой лепестков. А у селекционеров-цветоводов наверняка есть такое разнообразие гвоздик, что признак превращается в количественный. Можно взять спектрофотометр, экстрагировать пигмент антоциан из стандартной навески лепестков и измерить интенсивность пурпурной антоциановой окраски, выразив ее цифрой. И тогда получаем количественный признак – это такой признак, который может быть выражен вещественным числом. Пример с цветом лепестков показал нам, что один и тот же признак в разных ситуациях может выступать как количественный и качественный. Для практически любого качественного признака можно найти способ его измерения и тем самым рассмотреть его как количественный. Наоборот, большинство количественных признаков не могут рассматриваться как качественные, так как значения измеряемого параметра обычно не группируются в четко различимые классы.

Рост человека – типичный количественный признак. Сколько бывает вариантов роста человека? Правильно, сказать нельзя – это положительное вещественное число, а количество «вариантов» зависит от того, с какой точностью мы мерим и какие существуют физические пределы этой величины (а в данном случае отчетливых физических пределов нет). Рост множества людей можно охарактеризовать его средним значением. Но нам понадобится также какие-то характеристики его изменчивости. Для этого нам придется изучать частотное распределение количественного признака. Еще один хрестоматийный пример: если взять много людей, измерить их рост с точностью до сантиметра и построить по росту так, чтобы люди с одинаковым ростом стояли в одну колонну, то получим следующую картину: длина колонн образует некую колоколообразную кривую. При достаточной дробности измерения роста и количестве людей, она неплохо воспроизведет хорошо известное в теории вероятностей – нормальное или Гауссово распределение.

Оно однозначно определяется двумя параметрами – средним (математики говорят – математическим ожиданием) и дисперсией – усредненным квадратом отклонений индивидуальных значений от среднего. Квадратный корень из этой величины – среднеквадратическое отклонение – служит мерой разброса признака. Размерность последнего параметра совпадает с размерностью самой измеряемой величины. У нормального распределения в интервале значений величины от среднего минус среднеквадратическое отклонение до среднего плюс среднеквадратическое отклонение находится около 70 % всех объектов, сколько бы мы их ни измерили. Если этот интервал вокруг среднего расширить вдвое, то там будет около 90 %, если втрое, то около 99 % объектов.

Центральная предельная теорема математической статистики утверждает, что распределение суммы большого количества независимых случайных величин приближается к нормальному. А практически любой количественный признак формируется под действием очень большого количества разнонаправленных и разных по силе факторов. Именно поэтому большая часть количественных признаков подчиняется нормальному распределению. Но так бывает не всегда. Бывают распределения скошенные, бывают – с двумя горбами (они называются бимодальные распределения). У всего этого есть причины, в том числе и наследуемые, и все это представляет предмет для генетики количественных признаков. К примеру, приходите вы в теплицу Института цитологии и генетики с линейкой и измеряете длину растений гороха. Что вы получаете? Скорее всего, два отстоящих друг от друга колокола! Потому что есть горох очень короткий (карликовый), а есть нормальный. Различить эти два случая не представляет труда. Значит, мы имеем качественный признак – растения можно разбить на два отчетливых класса. А в пределах каждого класса тот же самый рост будет выступать как количественный признак!

На самом деле карликовый горох обладает замедленным ростом, но эти растения могут перерастать своих «нормальных», но тщедушных собратьев. В таком случае мы будем иметь два слившихся колокола. И если возьмем растение посередине между горбами, то затруднимся классифицировать его по росту. Но если мы обратим внимание на расстояние между листьями, то все сразу станет ясно: у карликов оно маленькое, а у нормы – большое. Просто некоторые карлики выросли так, что у них получилось гораздо больше листьев, чем у нормы. Именно этот признак – длина междоузлия - является здесь альтернативным признаком, в то время как рост растения очень редко ведет себя как настоящий альтернативный признак.

Есть еще один условно выделяемый класс признаков. Возьмем такой признак, как количество отростков на рогах марала. Самые мелкие рога неветвистые. В максимальном случае имеем на оба рога 10 отростков. Мы не испытаем затруднений в отнесении того или иного рога к классу с определенным числом отростков и на этом основании можем подумать, что это качественный признак. Но качество соотносится с целым числом, и чисто классов, как и ряд целых чисел, неограниченно (никто не может поручиться, что нам рано или поздно не попадется марал с 11 или более отростками). Такие признаки называются счетными. На самом деле здесь имеется простая закономерность - чем больше рог, тем больше на нем отростков; для того чтобы отросток добавился, зачатку рога нужно набрать некоторый критический прирост массы. Так что счетное количество отростков – просто мера величины рога. В случае числа ячеек на крыле стрекозы это становится еще более очевидно. Такую же меру мы получаем при измерении, когда останавливаемся на какой-то его точности (столько-то метров, или сантиметров, или миллиметров). Представьте, если мы считаем не отростки рогов оленя, а волоски на его голове. Фактически имеем различные меры размера головы, но с разным шагом (округлением).

Как показывает пример с горохом, один и тот же признак может быть и количественным, и качественным. Любое различаемое нами качество всегда можно как-то измерить (даже принадлежность к мужскому и женскому полу можно измерить как соотношение определенных гормонов). Выбор как оперировать с признаком  – как со значением численного параметра или как с индикатором принадлежности к классу - диктуется особенностями конкретной задачи. В случае бимодального распределения бывает полезно разбить все особи на два класса хотя бы в первом приближении, даже если два горба сливаются и мы не можем однозначно классифицировать особей, попадающих между ними, кроме формального введения порогового значения.

И качественные, и количественные признаки могут в той или иной мере наследоваться, а стало быть, попадают в поле зрения генетики. Для анализа количественных и качественных признаков генетика пользуется разными моделями, которые обычно оправдываются, с точностью до небольших естественных несоответствий реальности и идеальной модели. Наследование качественных признаков описывается проще и точнее (именно с ними и работал Мендель), с него мы и начнем. Но сначала еще немного терминологии.

Два не менее широких понятия, чем признак, без которых, однако, не обойтись, – генотип и фенотип. Фенотип – это все то, что касается признаков рассматриваемых организмов, генотип – это все то, что касается их генов. Вы понимаете, что это безбрежные понятия – признаков может быть бесконечное количество, а генов существует десятки тысяч. Причем большую часть признаков никто не мерит, а подавляющую часть генов никто не знает. Но фенотип и генотип – это рабочие понятия, содержание которых в каждом случае диктуется конкретным генетическим экспериментом. Генетический эксперимент состоит обычно в том, что кого-то с кем-то скрещивают, часто на протяжении многих поколений, и следят за признаками потомства, которое может в соответствии с этими признаками отбираться, скрещиваться и т. д. Или берут из природы выборку особей, регистрируют их признаки, выясняют, какими аллелями представлены некоторые гены, наблюдают за динамикой их частот. В каждом случае мы следим за немногими, строго определенными признаками и за немногими генами. И когда мы говорим о фенотипе, мы в данном случае имеем в виду значения или состояния именно этих признаков, а когда о генотипе, то набор аллелей именно этих генов. Различать фенотип и генотип необходимо, поскольку зависимость первого от второго есть, но, как мы увидим, не самая прямая. В выяснении этой зависимости во многом и состоит генетика. И только если в качестве признака фигурирует сама последовательность ДНК, то в этом эксперименте фенотип, наконец, совпадает с генотипом.

Перейдем к понятию, которое может показаться для генетики центральным, но которое оказалось слишком для этого расплывчатым. Скажите, что такое ген? На самом деле это понятие, которому сильно не повезло, так что сейчас оно имеет несколько значений. В классической генетике ген – это наследуемый фактор, влияющий на признаки организма. Некогда он рассматривался как далее неделимая единица наследственности. Однако после открытия структуры ДНК очень быстро выяснилось, что многие классические гены представляют собой участки ДНК, кодирующие некий белок, к примеру фермент, который и определяет наследуемый признак. Это было огромным прорывом в науке, и на этой волне первоначально показалось, что все гены классической генетики именно таковы. Выработалось такая формула: «Один ген – одна полипептидная цепь». Другими словами, геном стали называть участок ДНК, кодирующий полипептидную цепь.

Однако со временем обнаружилось, что рядом с ней всегда имеются регуляторные последовательности ДНК, которые ничего не кодируют сами, но влияют на включение‑выключение и интенсивность транскрипции этого гена. Это промотор – место посадки РНК-полимеразы, операторы – места посадки регуляторных белков, а также энхансеры – также места посадки регуляторных белков, способствующих транскрипции, но находящиеся на некотором, иногда значительном, удалении от кодирующей последовательности. Иногда они располагаются за сотни и тысячи нуклеотидов (а по масштабам хромосомы это не так и много), но все равно функционируют как цис-факторы (т. е. находящиеся неподалеку на хромосоме), поскольку физически оказываются неподалеку за счет определенной укладки ДНК в хромосоме. Все это хозяйство стали рассматривать как принадлежности гена, который что-то кодирует. Таким образом, в молекулярной генетике эукариот ген – это кодирующий участок ДНК вместе с прилежащими участками ДНК, влияющими на его транскрипцию. (У прокариот, как вы помните,  широко распространена оперонная организация генов, когда последовательности, кодирующие несколько полипептидных цепей, имеют общую регуляцию и считываются в составе единой мРНК. Это не позволяет пользоваться для них вышеприведенным определением.)

Заметьте, в молекуляно-биологическом понимании ген получился подразделенным на части – экзоны, интроны, операторы, энхансеры, в конце концов – отдельные нуклеотиды. А регуляторная последовательность ДНК, взятая как таковая, лишилась права называться геном, так как сама ничего не кодирует.

Но за счет влияния на транскрипцию гена эта последовательность может влиять и на какой-то признак (т. е. на фенотип), который будет наследоваться вместе с этой последовательностью. А сама она может быть отделена рекомбинацией от кодирующей последовательности, при этом индивидуальные варианты регуляторной последовательности и индивидуальные варианты кодирующей последовательности, представленные в каждом гомологе, поменяются местами. Иначе говоря, регуляторная последовательность – это тоже наследственный фактор, занимающий строго определенное место на хромосоме. Некоторые регуляторные последовательности наподобие энхансеров могут влиять на несколько генов сразу, т. е. занимать свое определенное место в регуляторной сети управления развитием и функционированием организма. Налицо все признаки гена в понимании классической генетики.

Это противоречие между классическим и молекулярно-биологическим понятием гена, возникшее в тот момент, когда казалось, что все классические гены – это транскрибируемые участки ДНК, кодирующие белок или РНК, не преодолено до сих пор, что, впрочем, на особенно важно, так как слово «ген» давно не употребляется как строгий термин. В связи с бурным развитием молекулярной биологии побеждает молекулярно-биологическое: ген – это транскрибируемый участок ДНК вместе со своими регуляторными последовательностями ДНК. Однако классическое понятие, что ген – это наследственный фактор, занимающий определенный локус на хромосоме (неважно, как он функционирует, чем является и из чего состоит), было исторически первым, продержалось более полувека и оказалось исключительно плодотворным. Воздержимся от категорического суждения, которое из них «правильнее». Вам необходимо быть в курсе этого противоречия и учиться понимать, о чем идет речь, из контекста.

Наша задача сейчас состоит в том, чтобы изложить основы классической генетики. Гораздо проще рассказывать о молекулярной генетике или цитогенетике, т. е. когда мы все время помним о материальном носителе генетической информации, все получается конкретнее и нагляднее. Но в рамках классической генетики мы оставим классическое понимание термина «ген» и будем полагать его как неделимую единицу – если у последовательности ДНК, кодирующей полипептидную цепь, изменить один нуклеотид, то пусть эта последовательность станет уже другим, отличающимся геном.

Разные варианты одного и того же гена будем обозначать термином аллель. Понятие «аллель» появилось тогда, когда о структуре ДНК ничего не знали, и оно было введено именно как альтернативный вариант гена. Это понятие особенно важно для диплоидных организмов, которые получают одинаковый набор генов от отца и матери и как следствие каждый из них присутствует в геноме в двух копиях, которые могут быть идентичными или  различаться, но не до такой степени, чтобы нельзя было сказать, что это «один и тот же ген». Эти две копии и были названы аллелями.

Первоначально термин «аллели» был введен для обозначения вариантов гена, ответственного за определенный признак, которые связаны с состоянием этого признака. Однако выяснилось, что на один и тот же признак могут одинаковым образом влиять независимые друг от друга гены. Это поднимает проблему различения аллелей одного и того же либо разных генов. К счастью, еще раньше выяснилось, что гены расположены в строго определенной последовательности в линейных структурах - как оказалось, в хромосомах – так что каждый ген занимает строго определенное место на одной из хромосом. Поэтому каждый ген можно было идентифицировать не только по влиянию на признак, но и по его месту на определенной хромосоме. Получается, что каждое место на хромосоме, ответственное за какой-то признак – локус – занято одним из аллелей – индивидуальных вариантов гена. Диплоидное ядро содержит по два аллеля каждого локуса, полученных от матери о отца, разных или одинаковых. Локус можно определить как позицию на хромосоме, занимаемую определенным генетическим фактором, а аллель – как вариант генетического фактора, расположенного в определенном локусе. Получилось, что от слова «ген» в классической генетике можно вообще отказаться. Есть локус – место на хромосоме, которое всегда занято одним из аллелей. Отношение между локусом и аллелем такое же, как отношение между переменной и ее значением. При этом в соответствии с классическим определением и аллель – это ген (как родовое понятие), и локус – это ген (как индивидуальное понятие). В практике генетики тем не менее устоялась не очень жесткая традиция употреблять слово «ген» как синоним слову «локус», и такие примеры будут встречаться и в нашем тексте.

Но есть ситуации, когда слова «ген» избежать трудно. К примеру, обработали горох с красными цветами химическим мутагеном и получили горох с белыми цветами. Признак наследуется. Причем горох с белыми цветами уже известен ранее и этот признак определяется аллелем хорошо известного гена. Спрашивается, мы получили тот же аллель того же локуса или аллель нового локуса? Или другой (на уровне ДНК) аллель того же локуса, который, однако, также приводит к белым цветам? Пока это не установлено, приходится говорить: «Получили ген белоцветковости».

Очень важные понятия – гомозигота и гетерозигота. Как вы помните, у каждого диплоидного организма каждая хромосома представлена в двух экземплярах – гомологах, полученных от отца и матери соответственно. Каждый из гомологов имеет один и тот же набор локусов, и в каждом из гомологов каждый локус занят каким-то аллелем. Значит, каждый диплоидный организм несет два аллеля каждого локуса. Если в обоих гомологах локус представлен идентичными аллелями, то говорят, что особь гомозиготна по этому аллелю, или по этому локусу. Причем, когда говорят, что гомозиготна по локусу, упор делается на то, что в обоих гомологах нет различий по нему, когда же говорят, что гомозиготна по аллелю, упор делается на то, по какому именно аллелю. Если в обоих гомологах локус представлен разными аллелями, то особь гетерозиготна по данному локусу. Для простоты гомозиготную и гетерозиготную особь называют соответственно гомозиготой и гетерозиготой.

Вооружимся тем, что мы уже все знаем про гены и хромосомы и этим отличаемся от Менделя. Возьмем в качестве объекта тот же горох. В цветах гороха есть пигмент – антоциан, который окрашивает их в пурпурный цвет. Если какой-то из ферментов, 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 ферментов. Все говорят менее строго, но проще – в некоей хромосоме есть ген а, который кодирует один из таких ферментов (такой ген с таким обозначением есть, он находится в первой хромосоме гороха). Пусть у этого гена есть два аллеля. Аллель А кодирует нормальный функциональный фермент. Аллель а не кодирует функционального фермента.

Зададимся вопросом, не свойственным классической генетике, но очень полезным. А почему он, собственно, этого не делает? Ваши версии! Наверное, там последовательность нуклеотидов «неправильная». (Помните Винни-Пуха: «Наверное, это неправильные пчелы. И они, наверное, делают неправильный мед».) К примеру, произошла так называемая точковая мутация и один нуклеотид заменился на какой-то другой. К чему приводит точковая мутация? Не всякая замена нуклеотида приводит к изменениям в кодируемом белке. Вспомните генетический код: кодоны, различающиеся нуклеотидами в третьей позиции, часто кодируют те же самые аминокислоты. А иногда – и по второй тоже. Но даже если аминокислота изменилась, это может произойти в какой-то не очень важной части белка. Там, например, где важна только его длина. Или аминокислота может быть заменена на другую, но со сходными свойствами. Лейцин на изолейцин, например, обе неполярные, с радикалом в виде насыщенного трехатомного углеводорода. Но точковая мутация может затронуть и важную аминокислоту. К примеру, аминокислота активного центра того фермента заменена на другую. Фермент не будет работать. Или цистеин где-то заменен на другую аминокислоту, в результате чего в нужном месте не возникает SS-мостика и укладка белка нарушается.

Что будет, если один нуклеотид в соответствующем гене просто выпадет? Вспоминаем свойства генетического кода – смежность и отсутствие знаков препинания. С этого места границы между триплетами сдвигаются на одну позицию. Но ни РНК-полимераза, ни рибосома ничего такого не знают и продолжают траснкрибировать и транслировать этот ген как ни в чем не бывало. В результате вместо осмысленных триплетов, которые кодировали нужные аминокислоты, триплеты, которые пойдут с места выпадения нуклеотидов, окажутся кодирующими совсем не те аминокислоты. Фактически с этого места белок будет иметь случайную первичную структуру. И рано или поздно вообще оборвется, когда среди новых триплетов случайно возникнет стоп-кодон. Такую мутацию называют сдвигом рамки считывания. («Рамка считывания» – образное понятие; тРНК как бы последовательно прикладывает рамку длиной в три нуклеотида, чтобы «прочесть» триплеты.)

А если выпадет не один нуклеотид, а много? А если вообще весь ген возьмет и выпадет? И такое тоже не редкость. Выпадения участков ДНК – это тоже разновидность мутации, называемая делецией.

Наконец, вовнутрь гена может встроиться огромный кусок ДНК. Это называется инсерцией. Понятно, что нормальный белок после этого с такого гена не получишь. Причем это, как правило, бывает не простой кусок ДНК, а мобильный генетический элемент – особая последовательность, способная перемещаться по хромосомам – выстригаться и встраиваться в случайное место на молекуле ДНК. Причем сама кодирует ферменты, необходимые для своего перемещения. По сути, это – внутригеномный паразит, паразитическая последовательность ДНК, которая не выполняет никаких полезных функций и существует только потому, что имеет механизмы собственного поддержания и размножения. В качестве определенной информации, направленной на собственное распространение, они полностью аналогичны компьютерным вирусам, и природа «написала» их на заре возникновения жизни, тогда как компьютерные вирусы были написаны едва ли не перед самым ее исчезновением.

В хромосомах любых эукариот мобильных элементов имеется много разных типов и невероятное количество копий каждого. Причем в основном на сломанные копии, у которых не работают гены, ответственные за перемещение, или нарушена последовательность по краям, которая опознается ими при выстригании и встройке. Таких копий во много раз больше, чем целых, способных перемещаться. Все они находятся на разных стадиях «разложения», то есть превращения в случайную последовательность ДНК за счет случайных же мутаций, которые, естественно, никак не влияют на организм, так как происходят в бессмысленных последовательностях. В сумме у человека около 46% всей ДНК приходится именно на дефектные мобильные элементы, у мыши – чуть больше трети, у кукурузы – до 80%. Все мы, эукариоты, выглядим как довольно совершенные существа, однако наш геном, в котором записаны наши чертежи и который, казалось бы, должен представлять нашу святую святых, на самом деле является полем битвы, усеянным разлагающимися трупами геномных паразитов, среди которых лишь кое-где ютится что-то осмысленное и «живое». И эту ситуацию не только невозможно исправить, но и нельзя исправлять, поскольку вся работа генетической машины в течение сотен миллионов лет уже рассчитана на нее. Вышесказанное может ужасать, но такова наша истинная природа.

Для организма эти геномные паразиты значат две вещи – дополнительные затраты на воспроизводство ненужной ДНК (но эти затраты невелики, так что в хромосомах эукариот, как правило, гораздо больше – до 80 % – ненужной ДНК, чем нужной – ее даже называют «мусорной ДНК») и источник мутаций. Каждый из нас несет в среднем по одной новой мутации и многие из них связаны с мобильными генетическими элементами. (Кстати, если они встраиваются в регуляторную область гена, то последствия могут быть любые – не только его поломка, но может быть даже интенсификация функции гена.) Это в целом плохо, но в редких случаях может быть и очень хорошо (как и любая мутация). Мобильные элементы и прочие геномные паразиты – отдельная огромная тема, на которую у нас нет времени. Но если мы повторим, что они подобны компьютерным вирусам, однако специальных антивирусных программ эволюция не выработала, то можно считать, что тема геномных паразитов в целом раскрыта.

Наше отступление касалось того, откуда могут взяться нерабочие аллели гена. Как видите, возможных причин множество и все они являются предметом рассмотрения молекулярной генетики. Для классической генетики причины не важны, а важно, что аллель просто не работает.

Для таких простых случаев, как рассматриваемый, когда есть аллель работающий и аллель неработающий, в классической генетике есть еще одна удобная терминология. Нормальный аллель называется диким типом, иногда обозначаемым символом «+»; в нашем случае его можно было бы обозначить не A, а – а+. 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 красные, а у культурных есть и красные, и белые, но у сортов европейской селекции преобладают белые. Для аллеля, не способного образовать функциональный белковый продукт, часто применяется термин нуль-аллель.

Бывают случаи, когда понятия «дикий тип» или «нуль-аллель» неприменимы. К примеру, у двуточечной божьей коровки есть две формы – красная в черную крапинку и черная в красную. (Кстати, это один из классических объектов генетики популяций.) Обе представлены в Европейской части России, ни одна не лучше другой (у нас в Новосибирске, правда, встречается только вторая). Ни одну из них нельзя назвать диким типом в противовес другой.

Обратите внимание – локус (или «ген») мы обозначаем маленькой буквой. Большая у нас обозначает дикий тип, а маленькая – мутантный аллель. Мутантный означает просто измененный, ненормальный. Он может и не быть нуль-аллелем. Поскольку о локусах генетики узнают не раньше того, как обнаруживают их мутантный аллель, сложилась традиция обозначать локусы по мутантному аллелю.

Вернемся к гороху. Возьмем две гомозиготы по интересующему нас гену: т. е. два растения гороха, у одного из которых локус а в обоих гомологах соответствующей хромосомы представлен нормальным аллелем А (дикий тип), а у другого – сломанным аллелем а (нуль-аллель). Охарактеризуем и запишем генотип этих растений. Из всех их генов нас пока интересует только единственный ген а, определяющий антоциановую окраску и представляющий собой определенный локус некоей хромосомы. Именно в отношении этого локуса мы и будем описывать генотип. Это делается следующим образом: генотип первого растения – АА, второго – аа (здесь подряд записаны символы аллелей данного локуса, находящиеся в двух гомологах, которые в нашем случае совпадают). Охарактеризуем фенотип. У первого растения цветы красные, у второго – белые. Это все, что нам в данном случае нужно знать о фенотипе, и все, что о нем известно. Запишем фенотип, как в первом случае, – А, во втором – а. Одна буква для одного признака. Принято генотип записывать курсивом, фенотип – обычным шрифтом.

Скрестим эти два растения. Пусть мы используем растение с генотипом АА как материнское, т. е. на его пестик наносим пыльцу отцовского растения с генотипом аа. Что такое скрещивание? Это объединение гамет – яйцеклетки, порожденной одним родителем, со спермием от другого родителя. Оба родителя диплоидны и гомозиготны в отношении гена a. Гаметы гаплоидны и каждая несет по одному из гомологов каждой хромосомы, полученной от их родителей. Оба гомолога одного растения имеют аллель А, значит, любая гамета будет нести его же. Аналогично, любая гамета второго растения несет аллель а. У нас нет никакого выбора – все яйцеклетки первого растения имеют генотип А (только одна буква, так как только один гомолог), а все спермии второго растения – генотип а.

Из зиготы образуется семя, из семени вырастает растение. Этот новый индивидуум, получившийся от скрещивания, от зиготы до растения, называется гибридом первого поколения (принято говорить – гибрид F1). Каков будет генотип этих гибридов? Нетрудно догадаться, что все они будут одинаковы и что у них один гомолог будет нести аллель А, а второй – аллель а. Соответственно они имеют генотип Аа, т. е. гетерозиготны.

А какой фенотип? До этого места мы пользовались нашими знаниями о том, что такое ген, как он работает и как происходит распределение аллелей между гаметами в мейозе. Однако общего логического решения наш вопрос логического не имеет. Чтобы что-то предсказать, мы должны знать механизм реализации наследственной информации в фенотипе (в целом это -  центральная проблема всей биологии) в нашем случае одновременном присутствии аллелей А и а. Именно неоднозначность фенотипа гетерозиготы в общем случае составляет значительную часть сложности классической генетики. Вместо того, чтобы пытаться предсказать, гораздо проще узнать это из эксперимента. Но поскольку мы с вами заранее договорились, что ген кодирует фермент, участвующий в биосинтезе пигмента антоциана, вы можете сделать предположение. Попробуйте!

Дело в том, что фермент – это катализатор, т. е. вещество, ускоряющее реакцию и в ее процессе не расходующееся. Количество катализатора влияет на скорость протекания реакции. Но если эта скорость не имеет критического значения, то есть не лимитирует весь процесс в целом, то реакция будет идти, пока не израсходуется продукт. Другими словами, если у гомозиготного растения фермент синтезировался за счет транскрипции одновременно с обоих копий аллеля А, имеющихся в двух гомологах, то у гетерозиготы он будет синтезироваться за счет транскрипции только одного аллеля А. Если с соответствующей мРНК может считаться  определенное количество белкового продукта – фермента (а так обычно и есть), то можно ожидать, что гетерозигота АА будет иметь вполовину меньше фермента, чем гомозигота Аа. Однако разница в два раза обычно не так уж существенна с точки зрения химической кинетики. И можно ожидать, что уменьшенное вдвое количество фермента никак не отразится на полноте протекания катализируемой им реакции – все молекулы субстрата превратятся в молекулы продукта. В таких случаях говорят, что процесс идет по принципу «все или ничего». Есть сколько-то фермента – реакция прошла до конца, нет – не прошла вообще. В этом состоит помехоустойчивость диплоидной фазы. Согласно этой логике, какого цвета будут цветы у гетерозиготы Аа? Красные. У гороха все именно так и есть!

Это явление называется доминированием. Говорят, что аллель А доминантный, аллель арецессивный (это антоним слову доминантный). Принято доминантный аллель обозначать прописной буквой, рецессивный – строчной. Эта терминология хороша для системы из двух аллелей. Бывают более сложные ситуации, когда имеется несколько аллелей и один и тот же аллель может быть доминантным по отношению к одному, но рецессивным по отношению к другому. Но много генов подобны рассматриваемому примеру – кодируют фермент и имеют два основных аллеля – дикий тип и нуль-аллель. И дикий тип всегда доминантен по отношению к нуль-аллелю.

Но вот другое растение – львиный зев. У него тоже бывают красные и белые цветы. И вот при скрещивании красноцветкового растения и белоцветкового образуются гибриды F1, у которых цветы розовые. Выясняется, что растения с красными цветами гомозиготны по некоему аллелю (обозначим его опять-таки А) и соответственно имеют генотип АА. Растения с белыми цветами – гомозиготны по другому аллелю, а, т. е. имеют генотип аа. А гетерозиготы Аа имеют промежуточный цвет цветков – розовый. В этом случае говорят о неполном доминировании. Поэтому большая и маленькая здесь написаны условно, они не имеют отношения к доминантности-рецессивности.

Очевидно, что механизм неполного доминирования должен быть какой-то другой, чем закон «все или ничего». Мы видим, что количество красного пигмента фактически пропорционально количеству аллеля А: два аллеля – цветок красный, один аллель – розовый, ни одного – белый. Значит, в данном случае имеет значение количество производимой мРНК и транслируемого с нее белкового продукта. Такое бывает, когда рассматриваемый ген – регуляторный, и производит не фермент, а какой-то регуляторный белок, связывающийся с регуляторным участком какого-то гена. Обычно таких белков синтезируется всего несколько молекул и не в каждой клетке им удается связаться с соответствующим участком ДНК. Людей по их профессии можно условно разделить на рабочих и чиновников. Первые ежедневно вынуждены производить большие объемы продукции, вторые за день оформляют всего несколько документов, которые кому-то что-то предписывают. Среди генов в первом приближении все так же (только генетический чиновник обычно умеет выпускать только один какой-нибудь документ). Одни производят в достаточных количествах белки, нужные в клетке или за ее пределами, а вторые участвуют в управлении другими генами, производя совсем немного регуляторных белков, на них влияющих. Если молекул в 2 раза больше, то с вероятностью в 2 раза выше и/или во в 2 раза большем числе клеток какой-то ген включится и произведет уже какой-нибудь фермент. Кстати, природа реального гена а у гороха пока не известна. Есть косвенные данные, что он тоже не кодирует фермент, а является регуляторным.

Жесткой границей между доминированием и кодоминированием не существует. Если мы будем измерять количество пигмента у множества цветков, или какой-то другой признак у множества особей, то получим опять-таки распределение величин, которое вряд ли окажется одинаковым у разных генотипов. Однако распределение гетерозигот может:

- существенно перекрываться с распределением одной из гомозигот – тогда мы будем говорить о доминировании,

- не перекрываться с распределением обеих гомозигот – тогда мы будем говорить о неполном доминировании

- незначительно перекрываться с распределением одной из гомозигот – тогда мы не сможем говорить ни о доминировании как таковом, ни о четком неполном доминировании, и таких признаков достаточно много.

Так или иначе, фенотип гетерозиготы тем более отличается от фенотипов обоих гомозигот, чем более лимитирующим оказывается количество белкового продукта данного гена в каком-то каскаде биохимических реакций. И наоборот, в той мере, в которой это количество не лимитирует процесс, фенотип гетерозиготы будет приближаться к фенотипу гомозиготы по аллелю дикого типа. Если количество продукта его вообще не лимитирует (как в случае многих ферментов), признак будет развиваться по принципу «все или ничего», то есть мы будет наблюдать доминирование.

Возьмем пример, где точно задействованы ферменты – группы крови человека. Есть четыре группы крови. Они определяются тремя аллелями одного гена, обозначаемые 0, А и В; 0 – это нуль-аллель. У гомозигот 00 эритроциты несут на поверхности некий гликопротеид, который, в свою очередь, несет некий гетероолигосахарид, состоящий из четырех мономеров. Аллели А и В кодируют функциональные (работающие) варианты определенного фермента, который пришивает к нему еще один моносахарид, но только аллель А кодирует вариант, который пришивает N‑ацетилгалактозамин, а аллель В – вариант, который пришивает галактозу. Присутствие одного из этих ферментов приводит к модификации всех имеющихся олигосахаридов в соответствии с типом фермента. Если присутствуют оба, индивидуальные молекулы олигосахаридов будут модифицированы одним из этих двух способов, а на поверхности эритроцитов появятся олигосахариды и А, и В. Таким образом, мы имеем четыре фенотипа: 0, А, В и АВ. Это и есть четыре группы крови – первая, вторая, третья и четвертая.

Давайте запишем все возможные для трех аллелей генотипы людей (а люди диплоидны) и посмотрим, какие им соответствуют фенотипы. Число различных генотипов равно числу сочетаний из трех по два, т. е. шесть: 00; 0А; 0В; АА; ВВ; АВ (порядок букв не важен, так как речь идет всего лишь о наличии соответствущего аллеля в ядре). Теперь вычислим, какие им соответствуют фенотипы.

Генотип           Фенотип

00                    0

                    А

                    В

АА                    А

ВВ                   В

АВ                   АВ

В данном случае аллель А доминантен по отношению к аллелю 0, аллель В тоже доминантен по отношению к аллелю 0, а аллели А и В по отношению друг к другу кодоминантны, т. е. проявляются совместно.

Раньше, когда работали в основном с внешними признаками, случаи кодоминирования попадались довольно редко. Но когда стала развиваться биохимическая генетика, там это оказалось одним из самых частых случаев. Дело в том, что макромолекулы (белки, куски ДНК) обычно анализируют в электрофорезе. Молекулы растворяют в водных растворах с такими условиями, где она приобретает заряд (а многие белки и ДНК его имеет в «нормальных условиях») и заставляют двигаться через гель. Гель – это, грубо говоря, желе (а слово – одно и то же, просто в немецком и французском вариантах, один принят в науке, другой – в кулинарии), сетка макромолекул в жидкости. К примеру, ДНК анализируют в агарозе – геле из полисахарида из красных водорослей, который использовался в качестве желе в дальневосточных странах. Под действием постоянного электрического поля молекулы вынуждены протискиваться сквозь нити сетки и скорость их продвижения в электрическом поле зависит от параметров сетки заряда и формы молекул. В результате все однотипные молекулы движутся с одной скоростью и образуют на геле мигрирующую полоску. А молекулы другого типа – другую полоску, мигрирующую с другой скоростью. У нас есть два аллельных варианта белка, если разогнать в электрофорезе препарат из гомозиготы, мы увидим одну полоску определенной подвижности, а если из гетерозиготы, то две, подвижность которых соответствует одной и другой гомозиготе. Это – типичный случай кодоминирования.