Генетика: Основы наследственности.

Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ставропольский государственный медицинский университет»
Министерства здравоохранения Российской Федерации
КАФЕДРА БИОЛОГИИ
Э.Н. Макаренко, М.В. Походенко
ГЕНЕТИКА:
ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
Учебное пособие
Ставрополь 2014
УДК
ББК
М
Макаренко Э.Н. ГЕНЕТИКА: ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ: учебное пособие для бакалавров / Э.Н. Макаренко, М.В. Походенко – Ставрополь:
Изд-во СтГМУ. – 2014 – 78 с.
Пособие составлено в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом и включает все базовые вопросы общей генетики в разделе «Наследственность».
В учебном пособии рассмотрены законы Менделя, хромосомная теория наследственности, классические методы генетики: гибридологический
анализ, анализирующее и реципрокное скрещивание. На современном учебнометодическом уровне представлены сведения о видах взаимодействия аллельных и неаллельных генов, специфике проявления гена в признак, генетике
пола.
Пособие предназначено для бакалавров СтГМУ.
Рецензенты:
Мануйлов И.М.., профессор кафедры ботаники, зоологии, общей биологии Северо-Кавказского федерального университета, доктор ветеринарных
наук.
Радцева Г.Л., кандидат медицинских наук, доцент кафедры гистологии СтГМУ.
УДК
ББК
М
Рекомендовано к изданию цикловой методической комиссией Ставропольского государственного медицинского университета.
Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом СтГМУ.
© Ставропольский государственный медицинский университет, 2014
2
ВВЕДЕНИЕ
ГЕНЕТИКА – наука о наследственности и изменчивости.
Наследственность – всеобщее свойство живого в виде способности
организмов передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение.
Изменчивость – свойство прямо противоположное наследственности
– способность организмов приобретать новые признаки и свойства в процессе индивидуального развития организмов (онтогенеза).
1900 год – год рождения генетики как науки.
«Отцом», основоположником генетики считается чешский естествоиспытатель Грегор Мендель (рис.1).
Рис. 1. Грегор Мендель(1822 – 1884).
ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ
В 1865 г. в работе "Опыты над растительными гибридами" Г. Мендель изложил результаты экспериментов по изучению закономерностей
наследования отдельных признаков у гороха. Горох обладает следующими
характеристиками:
1. Огромное количество сортов с множеством альтернативных признаков (форма, окраска семян и др. (рис. 2)).
2. Самоопыляющееся растение → стойко сохраняет свои сортовые особенности → возможность получения «чистых линий».
3. Легко культивируется в большом количестве.
3
4. Возможность проведения искусственного перекрестного опыления.
5. Полученные гибриды полностью фертильны.
Рис. 2. Альтернативные признаки садового гороха.
Ряд обнаруженных Г. Менделем закономерностей впоследствии стали
называться общебиологическими законами наследования или законами Г.
Менделя. К сожалению, современники не поняли и не оценили работу Г.
Менделя, и она оставалась забытой вплоть до 1900 г., когда подобные результаты получили в разных странах три ученых (рис. 3) – Гуго де Фриз
(Голландия), Эрих Чермак (Австрия) и Карл Корренс (Германия). Этот год
считается годом переоткрытия законов Г. Менделя и рождения генетики как
науки.
Рис. 3. Гуго де Фриз (1848–1935), Эрих Чермак (1871–1962) и
Карл Корренс (1864–1933).
4
Для постановки эксперимента при изучении наследования признаков,
Г. Менделем был разработан метод гибридологического анализа. Вот основные его свойства:
1) в скрещивании участвуют организмы, принадлежащие к одному виду;
2) изучаемые признаки должны быть взаимоисключающими или контрастными (альтернативными);
3) исходные родительские формы должны быть «чистыми линиями»
(гомозиготами) по изучаемым признакам;
4) при изучении закономерностей наследования, необходимо начинать
работу с анализа минимума количества признаков, постепенно усложняя эксперимент: родительские особи должны отличаться по одной паре альтернативных признаков → двум парам → небольшому числу пар альтернативных
признаков;
5) проводить индивидуальный анализ потомства и при наличии расщепления в поколении необходимо проводить статистический анализ;
6) изучение закономерностей наследования проводится на протяжении
нескольких поколений.
Таким образом, гибридологический анализ – это система скрещиваний, позволяющая проследить в ряду поколений характер наследования признаков и выявить новообразования.
Прежде чем начать основные эксперименты, Г. Мендель провел предварительное исследование экспериментального объекта и тщательно спланировал все эксперименты.
Основным принципом исследования была этапность – все внимание
сначала концентрировалось на одной переменной, что упрощало анализ, затем Т. Мендель приступал к анализу другой. Все методики строжайше соблюдались, чтобы не вносить искажения в результаты; полученные данные
тщательно регистрировались.
Г. Мендель провел множество экспериментов и получил достаточное
количество данных для обеспечения статистической достоверности результатов. В выборе же экспериментального объекта Г. Менделю, действительно,
во многом повезло, поскольку на наследовании отобранных им признаков не
сказывались некоторые более сложные закономерности, открытые позднее.
Изучая результаты скрещивания растений с альтернативными признаками, Г. Мендель обнаружил, что гибриды первого поколения (F 1), полученные с помощью искусственного опыления, не являются промежуточными
между двумя родительскими формами, а в большинстве случаев соответ5
ствуют одной из них. Тот признак родителя, которым обладали растения первого поколения, Г. Мендель назвал доминантным признаком (от латинского “dominans” – господствующий).
От экспериментально полученных гибридов уже путем самоопыления
Г. Мендель получил потомство второго поколения (F2) и обнаружил, что эти
потомки не являются одинаковыми: часть из них несет признак того родительского растения, который не проявился у гибридов первого поколения.
Таким образом, признак, отсутствовавший в поколении F1, вновь проявился в
поколении F2. Г. Мендель сделал вывод, что этот признак присутствовал в
поколении Fl в скрытом виде. Г. Мендель назвал его рецессивным признаком (от латинского “recessus” – отступление, удаление).
Г. Мендель провел целую серию аналогичных опытов с разными парами альтернативных признаков и всякий раз тщательно подсчитывал соотношение растений с доминантными и рецессивными признаками. Во всех
случаях анализ показал, что соотношение гибридов с доминантными признаками к потомкам с рецессивными в поколении F2 составляло примерно 3:1.
Таблица 1
Условные обозначения Г. Менделя
P – “parentes” – родительские особи
♀ – символ женской особи
♂ – символ мужской особи
x – символ скрещивания
G – “gamete” – гаметы (яйцеклетки и сперматозоиды)
F1 – “filii” – потомки 1-го поколения
A – ген, отвечающий за доминантный признак
а – ген, отвечающий за рецессивный признак
AA – генотип доминантной гомозиготы
аa – генотип рецессивной гомозиготы
Aa – генотип гетерозиготы
Ⓐ – один сорт гамет
Ⓐ, ⓐ – два сорта гамет
В третьем поколении (F3), полученном так же путем самоопыления
растений из поколения F2, оказалось, что те растения из второго поколения,
которые несли рецессивный признак, дали нерасщепляющееся потомство;
растения с доминантным признаком частично оказались нерасщепляющимися (константными), а частично дали такое же расщепление, как и гибриды F 1
(3 доминантных на 1 рецессивный).
6
Заслуга Г. Менделя состояла в том, что он понял: такие соотношения
признаков в потомстве могут быть только следствием существования
обособленных и неизменяющихся единиц наследственности – «наследственных факторов», передаваемых с половыми клетками от поколения к
поколению.
Г. Мендель ввел буквенные обозначения (табл. 1) для доминантного и
рецессивного факторов, причем доминантные обозначались большими буквами, а рецессивные – маленькими.
Моногибидное скрещивание – родительские особи, взятые для скрещивания, отличаются одной парой альтернативных признаков.
Дигибридное скрещивание – организмы, взятые для скрещивания,
отличаются двумя парами альтернативных признаков.
Закономерности наследования, установленные Г. Менделем при монои дигибридном скрещиваниях:
 1 закон – «Закон единообразия гибридов первого поколения»;
 2 закон – «Закон расщепления»;
 3 закон – «Закон независимого наследования (комбинирования) признаков».
1 закон – «Закон единообразия гибридов первого поколения»
При скрещивании родительских особей, отличающихся друг от друга
по одной паре альтернативных признаков, все гибриды (потомки) первого
поколения (F1) будут единообразны как по генотипу, так и по фенотипу.
желтые
зеленые
Условные обозначе♀
AA
x
♂
aa
P:
ния:
А – желтая окраска
семян;
G:
а – зеленая окраска
F1:
A
a
желтые
Aa – 100%
гетерозиготы
Выводы из первого закона Менделя:
F1:
по генотипу: 100% все гибриды – гетерозиготы
(Аа)
по фенотипу: 100% все гибриды с желтой
окраской семян (доминантным признаком)
7
2 закон – «Закон расщепления»
В ходе дальнейшего скрещивания гибридов первого поколения, во втором поколении (F2) наблюдается расщепление по генотипу 1:2:1, по фенотипу 3:1.
желтые
желтые
Условные обозначе♀ Aа
x
♂ Аa
P (F1):
ния:
А – желтая окраска
семян;
A, а
G:
А, a
желтые
а – зеленая окраска
АА,
F2:
25%
зеленые
Aa,
Aa,
50%
аa
25%
Выводы из второго закона Менделя:
F2:
по генотипу: 1 : 2 : 1
25% – доминантные гомозиготы (АА);
50% – гетерозиготы (Аа);
25% – рецессивные гомозиготы (аа);
по фенотипу: 3 : 1
75% – гибриды с желтой окраской семян
(доминантным признаком);
25% – гибриды с зеленой окраской семян
(рецессивным признаком);
3 закон – «Закон независимого наследования
(комбинирования) признаков»
При скрещивании родительских особей, отличающихся друг от друга
по двум парам альтернативных признаков, во втором поколении (F 2) наблюдается независимое наследование признаков в соотношении по фенотипу
9:3:3:1 по двум парам признаков или (3:1)2 по каждой паре признаков.
8
Условные обозначения:
P:
1-ая пара признаков – окраска семян:
А – желтая;
а – зеленая.
2-ая пара признаков – форма
семян:
В – гладкая;
b – морщинистая.
жел. ∕ гл.
♀ AAВВ
зел. ∕ мор.
♂ aabb
x
G:
AВ
ab
F1:
жел. ∕ гл.
AaВb – 100%
дигетерозиготы
Продолжаем скрещивать гибридов первого поколения (F1).
P (F1):
жел. ∕ гл.
♀ AаВb
x
жел. ∕ гл.
♂ АaВb
AB
Аb
аB
аb
см. решетку Пеннета
G:
F 2:
АB
Аb
аB
аb
AB
Ab
aB
Ab
AB
жел. ∕гл.
AABB
жел. ∕гл.
AABb
жел .∕гл.
AaBB
жел. ∕гл.
AaBb
Ab
жел. ∕гл.
ААВb
жел. ∕ мор.
ААbb
жел. ∕ гл.
АаВb
жел. ∕ мор.
Ааbb
аB
жел. ∕ гл.
АаВВ
жел. ∕гл.
АаВb
зел. ∕ гл.
ааВВ
зел. ∕ гл.
ааВb
аb
жел. ∕гл.
АаВb
жел. ∕ мор.
Ааbb
зел. ∕ гл.
ааВb
зел. ∕ мор.
ааbb
Выводы из третьего закона Менделя:
F2:
по фенотипу: 9 : 3 : 3 : 1 (по двум парам
признаков):
9∕ 16 – желтые и гладкие (А•В•);
3∕ 16 – желтые и морщинистые (А•bb);
3∕ 16 – зеленые и гладкие (ааВ•);
1∕ 16 – зеленые и морщинистые (ааbb).
9
Если проводить анализ по каждой паре признаков, то из 16 гибридов
второго поколения (F2) желтую окраску семян имеют 12 потомков, а 4 – зеленую. Таким образом, соотношение по окраске семян будет 3:1. Тоже самое
наблюдается при наследовании формы семян 12:4 или 3:1. Следовательно,
соотношение по фенотипу при анализе по каждой паре признаков соответствует (3:1)2.
Необходимо помнить, что третий закон Менделя выполним при наличии следующих условий:
1) полное доминирование (гетерозигота фенотипически выглядит так
же, как и доминантная гомозигота);
2) расположение генов, отвечающих за разные признаки (окраску и
форму семян), в разных парах гомологичных хромосом. Только так у дигеторозиготы образуется 4 сорта половых клеток в процессе гаметогенеза (рис. 4).
дигетерозигота дает 4 сорта гамет
Рис 4. Гаметы дигетерозиготы.
ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПЕРВОГО И ВТОРОГО ЗАКОНОВ МЕНДЕЛЯ
Г. Менделю не было известно, где находятся открытые им "наследственные факторы" (гены) и что они собой представляют. В 1910 г. американский биолог Томас Хант Морган (1866-1945) и его последователи создали
и обосновали хромосомную теорию наследственности. Согласно этой теории,
гены расположены в хромосомах, в клеточном ядре. Научная школа Моргана
выяснила цитологические основы законов Менделя.
10
В каждой клетке взрослого организма (за исключением половых клеток) имеется двойной набор хромосом. Половина этих хромосом получена от
отца, половина – от матери. В половые клетки попадает только одинарный
набор хромосом. Это происходит при мейозе.
Цитологические основы выполнения закона расщепления заключаются
в том, что в процессе мейоза во время гаметогенеза гомологичные хромосомы, несущие гены исследуемого признака, расходятся в разные половые
клетки, унося с собой либо отцовский аллель, либо материнский. В исходной
диплоидной материнской клетке (2n) в первом делении мейоза в дочерние
клетки расходятся пары гомологичных хромосом, а во втором – хроматиды.
В результате мейоза образуются гаплоидные клетки, несущие по одной копии гена каждой хромосомы.
Рис 5. Первый закон Менделя на языке хромосом.
В конце мейоза образуются четыре клетки, две из которых несут отцовскую копию хромосомы, а две – материнскую (рис. 5). Значит, каждая
гамета несёт только одну копию данного гена, то есть может содержать лишь
один аллель данного гена. Это положение получило название принципа чистоты гамет. Таким образом, цитологической основой закона расщепления
является мейоз, гаплоидность и принцип чистоты гамет, а также случайное
объединение наследственного материала в зиготе при оплодотворении.
Сам Г. Мендель на основе анализа своих скрещиваний выдвинул гипотезу о том, что рецессивные задатки не исчезают в гетерозиготном организме, а остаются неизменными и вновь проявляются при встрече с такими же
рецессивными задатками в последующих поколениях или в анализирующих
скрещиваниях.
Позднее У. Бетсон, исходя из этого феномена, сформулировал правило «чистоты гамет», согласно которому наследственные задатки не смешиваются в гетерозиготном организме и расходятся "чистыми" при образо11
вании гамет (в гамету попадает по одному фактору наследственности (аллелю) каждого типа).
Таким образом, у гибридов (гетерозиготных особей) примерно 50%
половых клеток несут только доминантный ген (А), остальные – только рецессивный (а). Встреча и слияние двух половых клеток происходит на основании случайности. Каким же окажется потомство двух таких гибридов?
Очевидно, что по теории вероятности половина потомства окажется гетерозиготной (Аа и Аа), а половина – гомозиготной (АА и аа). Но только четверть
потомства, несущая гены аа, проявит рецессивный признак. Отсюда и открытое Менделем соотношение "три к одному".
ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЗАКОНА НЕЗАВИСИМОГО НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ
При дигибридном скрещивании чистолинейных растений гороха
(ААВВ х aabb) гибриды F1 были фенотипически и генотипически единообразны (АаВb) в соответствии с первым законом Менделя.
Рис. 6. Цитологическое доказательство третьего закона Менделя.
При скрещивании дигетерозиготных особей гороха между собой было
получено второе поколение гибридов, имеющее четыре фенотипические
комбинации двух пар признаков (22). Это объясняется тем, что при мейозе у
гибридных организмов из каждой пары гомологичных хромосом в анафазе-1
к полюсам отходит по одной хромосоме. Из-за случайного расхождения отцовских и материнских хромосом ген А может попасть в одну гамету с геном
В или с геном b. Аналогичное произойдет и с геном а. Поэтому гибриды образуют четыре типа гамет: АВ, Аb, аВ, аb (рис. 6). Образование каждого из
них равновероятно. Свободное сочетание таких гамет приводит к образова12
нию четырех вариантов фенотипов в соотношении 9:3:3:1 и 9 классов генотипов.
СВЯЗЬ МЕЖДУ ПЕРВЫМ, ВТОРЫМ И ТРЕТЬИМ
ЗАКОНАМИ МЕНДЕЛЯ
Как при моно-, так и при дигибридном скрещивании потомство F1 единообразно как по фенотипу, так и по генотипу (проявление первого закона
Менделя). В поколении F2 происходит расщепление по каждой паре признаков по фенотипу в соотношении 3:1 (второй закон Менделя). Это свидетельствует об универсальности законов наследования Менделя для признаков,
если их определяющие гены расположены в разных парах гомологичных
хромосом и наследуются независимо друг от друга.
СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ
Г. Мендель изучил наследование только семи пар признаков у душистого горошка. Его законы подтвердились на самых разных видах организмов, т. е. было признано, что эти законы носят всеобщий характер. Однако
позже, в 1906 году У. Бэтсон и Р. Пеннет, проводя скрещивание растений
душистого горошка и анализируя наследование формы пыльцы и окраски
цветков, обнаружили, что эти признаки не дают независимого распределения
в потомстве, гибриды всегда повторяли признаки родительских форм. Постепенно таких исключений из третьего закона Менделя накапливалось все
больше. Стало ясно, что принцип независимого распределения в потомстве и
свободного комбинирования распространяется не на все гены.
Независимое комбинирование признаков (третий закон Менделя) осуществляется при условии, что гены, определяющие эти признаки, находятся в
разных парах гомологичных хромосом. Следовательно, у каждого организма
число генов, способных независимо комбинироваться в мейозе, ограничено
числом хромосом. Однако в организме число генов значительно превышает
количество хромосом. Например, у кукурузы изучено более 500 генов, у мухи дрозофилы – более 1 тыс., а у человека – около 2 тыс. генов, тогда как
хромосом у них 10, 4 и 23 пары соответственно.
Это дало основание предположить, что в каждой хромосоме локализовано множество генов.
Экспериментальные исследования явления сцепленного наследования
провел выдающийся американский генетик Т. X. Морган со своими сотрудниками. Сцепленным наследованием называется такой вариант наследова13
ния признаков, при котором гены, отвечающие за развитие данных признаков, располагаются в одной хромосоме, составляют группу сцепления (рис.7)
и наследуются совместно (сцепленно).
А
C
D
b
Z
f
Гены A, b, Z располагаются в одной
хромосоме и составляют одну группу
сцепления
Гены C, D, f располагаются тоже в
одной хромосоме, но составляют
другую группу сцепления
Рис. 7. Группы сцепления генов в хромосомах.
Если Г. Мендель проводил свои опыты на горохе, то для Т. Моргана
основным объектом стала плодовая мушка дрозофила.
Рис. 8. Самка и самец плодовой мушки дрозофилы.
Дрозофила каждые две недели при температуре 25° С дает многочисленное потомство. Самец и самка внешне хорошо различимы – у самца
брюшко меньше и темнее (рис. 8). Они имеют всего 8 хромосом в диплоидном наборе, достаточно легко размножаются в пробирках на недорогой питательной среде.
Томас Морган, как в свое время Грегор Мендель в опытах с горохом,
изучал наследование 2 пар признаков: окраска тела и длина крыльев у мушки
дрозофилы. Скрещивая мушку дрозофилу с серым телом и нормальными
крыльями с мушкой, имеющей темную окраску тела и зачаточные крылья, в
первом поколении (F1) Морган получал гибриды, имеющие серое тело и нормальные крылья (ген, определяющий серую окраску брюшка, доминирует
над темной окраской, а ген, обусловливающий развитие нормальных крыльев, – над геном недоразвитых).
14
Следовательно, в F1 Томас Морган получил единообразие гибридов
первого поколения, как и Грегор Мендель, но в F2 Томас Морган никогда не
получал соотношения 9:3:3:1 как в третьем законе Менделя. Тогда для выяснения генотипов особей первого поколения (F1) он провел анализирующее
скрещивание.
Анализирующее скрещивание проводится с целью установления генотипа исследуемой особи. Для этого исследуемую особь (?) скрещивают с
рецессивной гомозиготой (аа).
Если в F1 наблюдается расщепление 1:1, то исследуемая особь является
по генотипу гетерозиготой – Аа.
P: ♀ (?)
Х
G:
?
F1:
Aa; aa
P: ♀ Aa
♂ аа
a
– 1:1
G:
выяснение
генотипа
Х
♂ аа
A, a
F1:
a
– 1:1
Aa; aa
Если в F1 наблюдается единообразие, то исследуемая особь является по
генотипу гомозиготой – АА или аа.
P: ♀ (?)
Х
P: ♀ AA
♂ аа
G:
?
F1:
Aа – 100 %
выяснение
генотипа
a
Х
♂ аа
G:
A
a
F1:
Aа – 100 %
ОПЫТЫ ТОМАСА МОРГАНА
2 пары анализируемых
признаков:
сер./норм.
P: ♀ ААBB
А – серое тело;
а – черное тело;
G:
В – нормальные крылья;
b – зачаточные крылья.
F1: АаBb – 100 %
серые с нормальными крыльями
15
АB
Х
чер./зач.
♂ ааbb
аb
При проведении анализирующего скрещивания самки (F1) из первого
поколения с самцом, имевшим рецессивные признаки, теоретически ожидалось получить потомство с комбинациями этих признаков в соотношении
1:1:1:1. Однако в потомстве явно преобладали особи с признаками родительских форм (41,5% – серые длиннокрылые и 41,5% – черные с зачаточными
крыльями), и лишь незначительная часть мушек имела иное, чем у родителей, сочетание признаков (8,5% – черные длиннокрылые и 8,5% – серые с
зачаточными крыльями). Такие результаты могли быть получены только в
том случае, если гены, отвечающие за окраску тела и форму крыльев, находятся в одной хромосоме.
Если гены окраски тела и формы крыльев локализованы в одной хромосоме, то при данном скрещивании должны были получиться две группы
особей, повторяющие признаки родительских форм, так как материнский
организм должен образовывать гаметы только двух типов – АВ и аb, а отцовский – один тип – аb. Следовательно, в потомстве должны образовываться
две группы особей, имеющих генотип АаВb и ааbb. Однако в потомстве появляются особи (пусть и в незначительном количестве) с перекомбинированными признаками, то есть имеющие генотип Ааbb и ааВb.
Для того, чтобы объяснить это, необходимо вспомнить механизм образования половых клеток – мейоз. В профазе первого мейотического деления
гомологичные хромосомы конъюгируют, и в этот момент между ними может
произойти обмен участками. В результате кроссинговера в некоторых клетках происходит обмен участками хромосом между генами А и В, появляются
гаметы Аb и аВ, и, как следствие, в потомстве образуются четыре группы
фенотипов, как при свободном комбинировании генов. Но, поскольку кроссинговер происходит при образовании небольшой части гамет, числовое соотношение фенотипов не соответствует соотношению 1:1:1:1.
АНАЛИЗИРУЮЩЕЕ СКРЕЩИВАНИЕ
ОПЫТ №1. ПОЛНОЕ СЦЕПЛЕНИЕ
(из F1 берется самец – АаBb)
P: ♀ ааbb
G:
F2:
аb
Х
♂ (F1) АаBb
?
АаBb – 50% – серые с нормальными
крыльями;
16
ааbb – 50% – черные с зачаточными
крыльями.
Следовательно,
дигетерозиготный
самец (АаBb)
дает два сорта гамет:
● АB;
● аb
У дигетерозигот доминантные гены могут располагаться или в одной
хромосоме (цис-фаза), или в разных (транс-фаза) (рис. 9).
Рис. 9. 1 – механизм цис-фазы (некроссоверные гаметы);
2 – механизм транс-фазы (некроссоверные гаметы).
ОПЫТ №2. НЕПОЛНОЕ СЦЕПЛЕНИЕ. КРОССИНГОВЕР.
(из F1 берется самка – АаBb (рис. 10))
P: ♀( F1) АаBb
G:
F2:
?
Х
♂ ааbb
аb
АаBb – 41,5% – серые с нормальными крыльями;
ааbb – 41,5% – черные с зачаточными крыльями;
ааBb – 8,5% – черные с нормальными крыльями
Ааbb – 8,5% – серые с зачаточными крыльями
17
17% – КРОССОВЕРНЫЕ
ОСОБИ
Следовательно, дигетерозиготная самка
(АаBb) дает четыре сорта гамет:
● АB – 41,5%;
● аb – 41,5%;
● аB – 8,5%
● Аb – 8,5%
17% – КРОССОВЕРНЫЕ ГАМЕТЫ
Рис. 10. 1 – некроссоверные гаметы; 2 – кроссоверные гаметы.
Таким образом, у самки, как и у самца, гены А, B находятся в одной
хромосоме. Но у самца они располагаются ближе друг к другу и удерживаются сильнее (ПОЛНОЕ СЦЕПЛЕНИЕ). У самки гены А и В находятся на
некотором расстоянии друг от друга, сцеплены более слабо друг с другом,
чем у самца, поэтому в 17% наблюдается кроссинговер (НЕПОЛНОЕ СЦЕПЛЕНИЕ).
Расстояние между генами измеряется в морганидах – условных единицах, соответствующих проценту кроссоверных гамет или проценту рекомбинантов. Например, расстояние между генами серой окраски тела и длин18
ных крыльев (также черной окраски тела и зачаточных крыльев) у дрозофилы
равно 17%, или 17 морганидам.
Способ наследования сцепленных генов отличается от наследования
генов, локализованных в разных парах гомологичных хромосом. Так, если
при независимом комбинировании дигетерозигота АаВb образует четыре
типа гамет (АВ, Аb, аВ и аb) в равных количествах, то такая же дигетерозигота в случае сцепления генов А и В образует только два типа гамет – АВ и аb –
тоже в равных количествах. Это некроссоверные гаметы – гаметы, в процессе образования которых кроссинговер не произошел. Последние повторяют комбинацию генов в хромосоме родителя.
образуются гаметы:
Нерекомбинанты – гибридные особи, у которых такое же сочетание
признаков, как и у родителей.
Однако полное сцепление генов наблюдается достаточно редко, и в
потомстве обычно бывают представлены все четыре фенотипа. Таким образом, и в этом случае при дигибридном скрещивании образуются новые сочетания признаков – рекомбинантные фенотипы. Было установлено, что кроме
обычных гамет в этом случае возникают и другие – Аb и аВ – кроссоверные
гаметы, то есть появляются гаметы с новым сочетанием (комбинацией) аллелей, отличающимися от родительской гаметы.
образуются гаметы:
Причиной возникновения новых гамет является обмен участками гомологичных хромосом, или кроссинговер. Если особи с новыми генными
комбинациями (рекомбинанты – гибридные особи, имеющие иное сочетание признаков, чем у родителей) встречаются в потомстве реже, чем особи с
родительскими фенотипами, то это верный признак сцепленности соответствующих генов.
После опытов Томаса Моргана мушка дрозофила стала излюбленным
объектом исследования генетиков, потому что:
1) неприхотлива в содержании (легко размножается в лабораторных
условиях при температуре 25°Ϲ);
2) выраженный половой диморфизм;
3) очень плодовита (большое число потомков);
19
4) быстрая смена поколений;
5) только 8 хромосом (небольшое число групп сцепления), но огромное
количество альтернативных признаков.
Группа сцепления – гены, локализованные в одной хромосоме и
наследующиеся совместно. Число групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом, поскольку группу сцепления составляют две гомологичные хромосомы, в которых локализованы одинаковые гены.
У человека количество групп сцепления зависит от пола – женский пол
– 23 группы сцепления, у мужчин – 24 группы сцепления, поскольку две половые хромосомы (Х и Y) не являются гомологичными и несут различный
набор генов.
ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
Предположение о том, что гены локализуются в хромосомах, появилось еще в начале ХХ века. Так в 1902-1903 годах американский цитолог У.
Сеттон и немецкий цитолог и эмбриолог Т. Бовери независимо друг от друга
выявили параллелизм в поведении генов и хромосом в ходе формирования
гамет и оплодотворения. Однако экспериментальное доказательство локализации конкретных генов в конкретных хромосомах было получено только в
1910 г. американским генетиком Т. Морганом, который в последующие годы
(1911-1926) обосновал хромосомную теорию наследственности. Согласно
этой теории, передача наследственной информации связана с хромосомами, в
которых линейно, в определенной последовательности, локализованы гены.
Таким образом, именно хромосомы представляют собой материальную основу наследственности.
Анализ явлений сцепленного наследования, кроссинговера, сравнение
генетической и цитологической карт позволяют сформулировать основные
положения хромосомной теории наследственности:
 гены располагаются в хромосомах; различные хромосомы содержат
неодинаковое число генов; набор генов каждой из негомологичных хромосом
уникален;
 каждый ген имеет определенное место (локус) в хромосоме; в идентичных локусах гомологичных хромосом находятся аллельные гены;
 гены расположены в хромосомах в определенной линейной последовательности;
20
 гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно,
образуя группу сцепления; число групп сцепления равно гаплоидному набору
хромосом и постоянно для каждого вида организмов;
 сцепление генов может нарушаться в процессе кроссинговера, что
приводит к образованию рекомбинантных хромосом; частота кроссинговера
зависит от расстояния между генами: чем больше расстояние, тем больше
величина кроссинговера;
 каждый вид имеет характерный только для него набор хромосом –
кариотип.
ГЕНЕТИКА ПОЛА
Пол – совокупность признаков, по которым производится специфическое разделение особей или клеток, основанное на морфологических и физиологических особенностях, позволяющее осуществлять в процессе полового размножения комбинирование в потомках наследственных
задатков родителей.
Рис. 11. Первичные и вторичные половые признаки человека.
Морфологические и физиологические признаки, по которым производится специфическое разделение особей, называются половыми.
21
Признаки, связанные с формированием и функционированием половых клеток, называются первичными половыми признаками. Это гонады (яичники или семенники), их выводные протоки, добавочные железы
полового аппарата, копулятивные органы.
Все другие признаки, по которым один пол отличается от другого, получили название вторичных половых признаков (рис.11). К ним относят: характер волосяного покрова, наличие и развитие молочных желез,
строение скелета, тип развития подкожной жировой клетчатки, строение
трубчатых костей и др.
Если такие различия между особями мужского и женского пола существуют, то говорят о половом диморфизме. Половой диморфизм – это анатомические различия между самками и самцами одного и того же биологического вида, помимо половых органов. Обычно он выражается в разном размере (у многих птиц и млекопитающих самцы больше и тяжелее самок), волосяном покрове (яркое проявление – борода у мужчин), окрасе (яркое оперение у самцов птиц, которое крайне важно для привлечения самок) и т.д.
Уровни половой дифференцировки человека
Существует несколько уровней половой дифференцировки человека
(табл.2).
Таблица 2
Половой диморфизм
- Генетический:
- Гонадный:
- Генитальный:
- Гаметный:
- Гормональный:
сочетание хромосом: ХХ или ХY
формирование желез: семенников или яичников
формирование наружных половых органов
наличие гамет: яйцеклетки, сперматозоида
функция мужских гормонов – тестостерона, женских гормонов – эстрогена и прогестерона
- Фенотипический:
формирование вторичных половых признаков по
мужскому и женскому типу
- Психологический:
половая и поведенческая принадлежность
Сложность процессов формирования пола предопределяет множественность вероятных поломок, главным образом, генетически детерминированных. Значительную массу нозологий, протекающих с патологией пола,
составляют синдромы интерсексуализма или гермафродитизма.
22
Понятие интерсексуализм включает патологические состояния, связанные с промежуточным хромосомным полом или несоответствием между
различными компонентами, составляющими пол.
Понятие пола у человека многокомпонентно, так как включает в себя
генетический, гонадный, фенотипический, социальный, психологический пол
и др. Основополагающим моментом в формировании пола является гомосомальный комплекс, складывающийся в момент оплодотворения.
При оплодотворении, в зиготе, находящейся в репродуктивном тракте
женского организма, на основе генетической программы первоначально
формируется хромосомный, или генетический, пол человека. Наличие двух
Х хромосом обуславливает дальнейшее формирование женского организма,
Х и Y – мужского.
Рис. 12. Развитие недифференцированной гонады.
Затем в ходе развития эмбриона формируется гонадный пол, когда
недифференцированные гонады под контролем хромосомного (генетическо23
го) пола развиваются либо в семенники, либо в яичники (рис.12). Кариотип с
двумя ХХ-хромосомами определяет закладку яичников, а Х и Y – яичек.
Возможна патология формирования генетического пола в виде анеуплоидии, мозаицизма по половым хромосомам или их структурных перестроек, что приводит к нарушению дифференцировки гонад.
При моносомии по половым хромосомам (ХО) или структурных перестройках одной из гоносом вместо полноценной гонады образуется лишь
недифференцированный соединительно-тканный тяж – streak.
Избыток половых хромосом (полисомии) приводит к дисгенезиям половых желез, различающихся по степени тяжести. Глубина поражения прямо
зависит от количества дополнительного хромосомного материала. Наличие
Y-хромосомы предопределяет закладку мужской гонады даже в случае полисомии по Х-хромосоме. Таким образом, Y-хромосома доминирует в определении гонадного пола.
На четвертой неделе внутриутробного развития плода из выроста целомического эпителия закладывается первичная гонада без признаков половой дифференцировки. С шестой недели начинается формирование эмбрионального тестикула из мозгового вещества первичной гонады. На восьмой
неделе происходит закладка половых протоков. Половые протоки возникают
одинаково у женского и у мужского плода в виде мюллеровых (парамезонефральных) и вольфовых (мезонефральных) каналов.
С 10-12 недели начинается их дифференциация. Из вольфовых протоков у плода мужского пола под активным воздействием андрогенов формируются семенные пузырьки, семенной канатик и придаток яичка. В те же
сроки у плода женского пола при отсутствии андрогенов под действием “автономной тенденции к феминизации” из мюллеровых протоков образуется
матка, свод влагалища, фаллопиевы трубы.
На 6-7 неделе эмбрионального развития наружные гениталии закладываются в виде полового бугорка, половых складок, урогенитального синуса
идентичных у обоих полов.
Формирование наружных половых органов происходит между 12 и 24
неделями (генитальный пол) у плодов мужского пола под активным воздействием андрогенов, а у женских эмбрионов в отсутствии андрогенов, под
действием "автономной тенденции к феминизации". При этом у женского
плода из полового бугорка формируется клитор, из половых складок – малые
половые губы, из скротолабиальных складок – большие половые губы, из
урогенитального синуса – нижние 2/3 влагалища. У мужского плода из полового бугорка развивается половой член, из половых складок – пениальная
24
уретра, из скротолабиальных складок – мошонка, из наружного кармана урогенитального синуса – предстательная железа. Формирование внутренних и
наружных мужских гениталий протекает активно под воздействием андрогенов, в то время как феминизация внутренних и наружных половых органов –
результат отсутствия андрогенизированных воздействий (рис. 13).
Рис. 13. Половая дифференциация человека.
При избытке андрогенов у женского плода или их дефиците у мужского наружные половые органы имеют интерсексуальное строение. Половой
бугорок преобразуется в гипертрофированный клитор или недоразвитый гипоспадический половой член.
Отклонение гормонозависимого формирования производных половых
складок приводит к гипоплазии и аплазии малых половых губ у женского
плода и гипоспадии у мужского.
Половая дифференцировка мозга также является гормонзависимым
процессом, контролируемым половыми стероидами. Половая дифференцировка мозга включает в себя детерминацию типа секреции гипоталамических
нейрогормонов (гонадолиберинов), постоянную у мужского и циклическую у
женского плода, а также служит основой для формирования полового поведения (психологический пол).
В постнатальном периоде функционирование гипоталамуса определяет состояние половых желез, в антенатальном периоде секреторная активность гонад является ведущим фактором половой дифференциации гипоталамуса.
25
Дефицит андрогенов в критический период (средний триместр беременности) у мужского плода приводит к формированию женского типа половой дифференцировки мозга, а избыток андрогенов и эстрогенов у женского
плода – к мужскому типу.
Описанные изменения служат одной из причин развития таких форм
патологии как импотенция, ановуляторное бесплодие, нарушение полового
поведения (гомосексуализм, транссексуализм).
Таким образом, к моменту рождения ребенка определяется его гонадный, генитальный и генетический пол и заложены основы формирования
полового поведения. Гражданский пол присваивается новорожденному в соответствие с его генитальным полом. Большинство детей к двухлетнему возрасту четко идентифицируют свою половую принадлежность – ранний этап
формирования психологического пола. С пубертатного периода в соответствии с гормональной активностью гонад дифференцируется гормональный
пол, который определяет половой диморфизм скелета, гортани, вторичных
половых признаков. Все это в сочетании с соответствующим строением
наружных половых органов составляет так называемый соматический или
морфологический (фенотипический) пол. Биологическим смыслом реализации пола является осуществление генеративной функции (гаметный пол).
Сложность процессов формирования пола предопределяет множественность вероятностей поломок – генетически детерминированных.
Типы определения пола
В зависимости от времени слияния гамет различают три типа определения пола: прогамный, сингамный и эпигамный.
Рис. 14. Развитие тли (Е – крупные и мелкие яйца).
26
При прогамном типе пол определяется до слияния половых клеток и
зависит от величины яйцеклетки: из крупных яйцеклеток развиваются самки,
из мелких – самцы. Данный тип характерен для первичных кольчецов, коловраток, тли (рис.14).
При сингамном типе пол определяется в момент слияния половых
клеток и зависит от сочетания хромосом. Данный тип характерен для всех
млекопитающих, птиц, двукрылых насекомых, двудомных растений.
При эпигамном типе пол определяется после слияния половых клеток
и зависит от факторов окружающей среды.
Рис. 15. Эпигамный тип определения пола у крокодилов.
Окружающая температура, как и у многих рептилий, оказывает влияние на формирование пола крокодилов (рис.15). Пол эмбриона определяется
не генетически, а зависит от температуры окружающей среды. Если температура в гнезде колеблется от 31 до 33 Сº, то из яиц вылупляются самцы, если
же температура ниже 31 Сº, или выше 33 Сº, то потомство будет состоять
только из самок. Смешанные выводки объясняются тем, что, как правило,
температура на дне гнезда отличается от температуры наверху.
27
Рис. 16. Bonellia viridis: 1 – самка имеет тело длиной около 10 см и длинный раздвоенный на конце хоботок, который может вытягиваться до 1 м (1/3 натуральной
величины);2 – самец 1-3 мм (увеличено в 30 раз).
У морского червя Bonellia viridis бесполая личинка некоторое время
развивается в воде. В дальнейшем, если эта личинка оседает на дно, то из неё
развивается нормальная самка, если же личинка прикрепляется к хоботку
самки и проникает в её половую систему, то под воздействием гормонов самки эта личинка превращается в самца (рис.16).
Хромосомные механизмы формирования пола
в популяциях животных
Начало изучению генотипического определения пола было положено открытием американскими цитологами у насекомых различия в форме,
а иногда и в числе хромосом у особей разного пола (Мак-Кланг, 1906, Уилсон, 1906) и классическими опытами немецкого генетика
К.
Корренса по скрещиванию однодомного и двудомного видов брионии.
Уилсон обнаружил, что у клопа Lydaeus turucus самки имеют 14 хромосом (7 пар), как и самцы. Из них 6 пар – одинаковые у обоих полов, а в
седьмой паре у самки – две одинаковые хромосомы, а у самца одна хромосома такая же, как соответствующая хромосома самки, а другая маленькая.
Пара хромосом, которые у самца и самки разные, получила название
гетерохромосомы, или половые хромосомы. У самки две одинаковые половые хромосомы, обозначаемые как Х-хромосомы, у самца одна Х-
28
хромосома, другая – Y-хромосома. Остальные хромосомы, одинаковые у
самца и у самки, были названы аутосомами.
Таким образом, хромосомная формула у самки названного клопа –
12A + XX, у самца – 12A + XY. В процессе гаметогенеза самка клопа образует один сорт гамет – 7A + X, а самец 2 сорта гамет – 7A + Y или 7A + X.
Пол организма с генотипом ХХ называют гомогаметным, так как у него
образуются одинаковые гаметы, содержащие только Х-хромосомы, а пол
с генотипом XY – гетерогаметным, так как половина гамет содержит Х-, а
половина – Y-хромосому.
Сочетание XX–XY (рис. 17) определяет пол млекопитающих, человека
и некоторых насекомых (клопы, мушка-дрозофила). При гаметогенезе
наблюдается типичное менделевское расщепление по половым хромосомам.
Каждая яйцеклетка содержит одну Х-хромосому. Сперматозоид содержит
одну Y-хромосому или одну Х-хромосому. Пол потомка зависит от того, какой спермий оплодотворит яйцеклетку. При слиянии сперматозоида и яйцеклетки, несущих Х-хромосомы, образуется зигота с двумя Х-хромосомами. В
дальнейшем из таких зигот развиваются нормальные самки. Если в зиготу
попадают Х- и Y-хромосомы, то в дальнейшем из них развиваются самцы.
Сочетание ZZ–ZW (рис. 17) характерно для птиц, бабочек, шелкопряда,
рептилий, земноводных. При слиянии сперматозоида и яйцеклетки, несущих
Z-хромосомы, образуется зигота с двумя Z-хромосомами. В дальнейшем из
таких зигот развиваются нормальные самцы (гомогаметный пол). Если в зиготу попадают Z- и W-хромосомы, то в дальнейшем из них развиваются самки (гетерогаметный пол). В научной литературе вместо символа Z используется Х, имея в виду, что Z-хромосома соответствует Х-хромосоме.
29
Рис. 17. Гомо- и гетерогаметный пол.
Сочетание XX–XО (рис. 18) характерно для некоторых насекомых
(кузнечики, моль). Сочетание ХХ характерно для гомогаметного пола, появляется оно при слиянии яйцеклетки и сперматозоида, несущих по Ххромосоме. Если происходит слияние половой клетки, несущей Ххромосому, с гаметой, у которой нет ни одной половой хромосомы, образуется сочетание ХО и развиваются организмы гетерогаметного пола.
30
Рис. 18. Сочетание XX–XО.
Совершенно другой механизм определения пола, называемый
гаплодиплоидный – сочетание n – 2n широко распространен у пчел и муравьев (рис.19).
Рис. 19. Гаплодиплоидный механизм наследования пола.
У этих организмов нет половых хромосом: самки – это диплоидные
особи, а самцы (трутни) – гаплоидные. Самки развиваются из оплодотворенных яиц (2n), а из неоплодотворенных путем партеногенеза развиваются
трутни (n).
31
Балансовая теория определения пола
К. Бриджес в 1919 году обнаружил, что у плодовой мушки дрозофилы
на проявление пола оказывает влияние соотношение (баланс) между количеством Х-хромосом и набором аутосом, а Y-хромосома на детерминацию
пола влияния не оказывает.
У нормальных самок на две Х-хромосомы (2Х) приходится два набора
аутосом (2А). Половой индекс в этом случае равен 1 (2Х:2А). У нормальных
самцов только одна Х-хромосома. Половой индекс в этом случае равен 0,5
(1Х:2А).
Рис. 20. Самец (а), самка (б) и некоторые ненормальные половые типы дрозофилы:
интерсекс (в), сверхсамка (г), сверхсамец (д).
В случае неравномерного распределения генетического материала в
кариотипе может оказаться на одну Х-хромосому больше (ХХХ или ХХY), а
количество аутосом останется в норме. При наличии 3Х хромосом половой
индекс будет равен 1,5 (3Х:2А) и разовьются сверхсамки. При наличии 2Х
хромосом и 1Y хромосомы половой индекс будет равен 1 (2Х:2А) и появятся
нормальные самки, так как Y-хромосома в этом случае на пол влияния не
оказывает.
При неравномерном распределении генетического материала в кариотипе может оказаться нормальное число половых хромосом, а число наборов
аутосом будет кратно увеличено. При кариотипе 2Х+3А половой индекс будет равен 0,67 (2Х:3А) и разовьються интерсексы, а при кариотипе ХY+3А
32
половой индекс будет равен 0,33 (1Х:3А) и разовьются сверхсамцы (бесплодны).
Таким образом, следует, что при половом индексе равном 1 развиваются нормальные самки, 0,5 – нормальные самцы, выше 1 – сверхсамки, ниже
0,5 – сверхсамцы, при половом индексе меньше 1, но выше 0,5 – интерсексы
(рис. 20).
Генетический пол в популяциях людей
Половые хромосомы (X и Y) являются единственными из 23 хромосом,
которые определяют пол организма. Половые клетки, продуцируемые женским организмом, содержат Х-хромосому, тогда как сперматозоиды – X-или
Y-хромосому. Остальные 22 пары хромосом предопределяют характеристики
организма, не связанные с полом, и поэтому называются аутосомами.
Во время оплодотворения образуется зигота, содержащая 23 пары хромосом. В зиготе, из которой будет развиваться плод женского пола, содержится две Х-хромосомы, т. е. по одной из каждой женской и мужской гаметы. В зиготе, из которой будет развиваться плод мужского пола, содержится
Х- и Y-хромосомы (рис. 21). Развитие гонад и гениталий в мужском организме обусловлено Y-хромосомой. При отсутствии в генах эмбриона Yхромосомы у эмбриона развиваются яичники. Y-хромосома ответственна за
начальный половой диморфизм.
Рис. 21. Сингамное определение пола у человека.
33
У человека генотипический пол определяют, изучая соматические
клетки буккального соскоба. Одна Х-хромосома всегда оказывается в активном состоянии и имеет обычный вид. Другая, если она имеется, бывает в покоящемся состоянии в виде плотного темно-окрашенного тельца,
называемого тельцем Барра (факультативный гетерохроматин). Число телец
Барра всегда на единицу меньше числа наличных Х-хромосом, т.е. в мужском
организме (ХУ) в норме их нет вовсе, у женщин (ХХ) – одно (рис. 22).
Рис. 22. Тельце Барра или половой хроматин: А – эпителиальная соматическая клетка женщины (ХХ); Б – соматическая клетка мужчины (ХУ); В – соматическая клетка индивида с тремя Х-хромосомами (ХХХ).
У человека Y-хромосома является генетически инертной, так как в
ней очень мало генов. Однако влияние Y-хромосомы на детерминацию
пола у человека очень сильное. Хромосомная формула мужчины 44A+XY и
женщины 44A+XX такая же, как и у дрозофилы, однако у человека особь
с кариотипом 44A+XО оказывается женщиной, а особь 44A+XXY – мужчиной. В обоих случаях они проявляли дефекты развития, но все же пол
определялся наличием или отсутствием Y-хромосомы. Организм с генотипом 47, XXX представляют собой бесплодную женщину, с генотипом 48,
XXXY – бесплодного умственно отсталого мужчину. Такие генотипы
возникают в результате нерасхождения половых хромосом, что приводит
к нарушению развития (например, синдром Клайнфельтера, XXY). Нерасхождение хромосом случается как в мейозе, так и в митозе. Нерасхождение
может быть следствием физического сцепления Х-хромосом, в таком случае нерасхождение имеет место в 100% случаев.
Всем млекопитающим мужского пола, включая человека, свойственен
так называемый H-Yантиген, находящийся на поверхности клеток, несу34
щих Y-хромосому. Единственной функцией его считается дифференцировка гонад.
Вторичные половые признаки развиваются под влиянием стероидных
гормонов, вырабатываемых гонадами. Развитие мужских вторичных половых признаков контролирует тестостерон, воздействующий на все клетки
организма, включая клетки гонад. Мутация всего одного гена Х-хромосомы
– гена рецептора андрогенов (AR), кодирующего белок-рецептор тестостерона, приводит к синдрому тестикулярной феминизации особей XY (Хсцепленный рецессивный тип наследования). Клетки-мутанты не чувствительны к действию тестостерона, в результате чего взрослый организм приобретает черты, характерные для женского пола (ложный мужской гермафродитизм, мужской псевдогермафродитизм). При этом внутренние половые
органы оказываются недоразвитыми и такие особи полностью стерильные
(рис. 23). Таким образом, в определении и дифференцировке пола млекопитающих и человека взаимодействуют хромосомный и генный механизмы.
Рис. 23. Типичный внешний вид полной нечувствительности к андрогенам при синдроме тестикулярной феминизации.
Несмотря на то, что женщины имеют две Х-хромосомы, а мужчины –
только одну, экспрессия генов Х-хромосомы происходит на одном и том же
уровне у обоих полов. Это объясняется тем, что у женщин в каждой клетке
полностью инактивирована одна Х-хромосома (тельце Барра). Х-хромосома
инактивируется на ранней стадии эмбрионального развития, соответствующей времени имплантации. При этом в разных клетках отцовская и материнская Х-хромосомы выключаются случайно. Состояние инактивации
данной Х-хромосомы наследуется в ряду клеточных делений. Таким обра35
зом, женские особи, гетерозиготные по генам половых хромосом, представляют собой организмы-мозаики (пример, черепаховые кошки (рис. 24)).
Рис. 24. ХbХb – рыжая кошка; ХbУ – рыжий кот; ХBХB – черная кошка; ХBУ – черный
кот; ХBХb – черепаховая (полосатая) кошка.
Таким образом, пол человека представляет собой менделирующий
признак, наследуемый по принципу обратного (анализирующего) скрещивания. Гетерозиготой оказывается гетерогаметный пол (XY), который скрещивается с рецессивной гомозиготой, представленной гомогаметным
полом (XX). В результате в природе обнаруживается наследственная
дифференцировка организмов на мужской и женский пол и устойчивое равенство полов – 50% на 50%.
НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ, СЦЕПЛЕННЫХ С ПОЛОМ
Наследование, сцепленное с полом – это наследование признака, ген
которого находится в половых хромосомах.
Т. Морган и его сотрудники заметили, что наследование окраски
глаз у дрозофилы зависит от пола родительских особей, несущих альтернативные аллели. Красная окраска глаз доминирует над белой.
Реципрокное скрещивание (рис. 25) – два скрещивания, которые характеризуются взаимно противоположным сочетанием анализируемого признака и пола у форм, принимающих участие в этом скрещивании. Например,
если в первом скрещивании самка имела доминантный признак, а самец –
рецессивный, то во втором скрещивании самка должна иметь рецессивный
признак, а самец – доминантный. Проводя реципрокное скрещивание, Т.
Морган получил следующие результаты.
36
Рис. 25. Х-сцепленное наследование у дрозофилы.
Условные обозначения:
ХА – красные глаза;
белые
♀ Х аХ а
P:
x
красные
♂ ХАУ
G:
Ха
ХА, У
F1:
красные
ХАХа;
50% самки
белые
Х аУ
50% самцы
Ха – белые глаза
При скрещивании красноглазого самца с белоглазой самкой в F 1
получали равное число красноглазых самок и белоглазых самцов.
Однако при скрещивании белоглазого самца с красноглазой самкой в
F1 были получены в равном числе красноглазые самцы и самки.
красные
белые
А А
♀ Х Х
x
♂ Х аУ
P:
G:
ХА
Х а, У
F1:
красные
ХАХа;
50% самки
красные
ХАУ
50% самцы
37
При скрещивании этих мух-гибридов F1 между собой были получены красноглазые самки, красноглазые и белоглазые самцы, но не было ни
одной белоглазой самки.
P:
красные
♀ Х АХ а
x
G:
ХА, Ха
F1:
красные
ХАХА; ХАХа;
красные
♂ ХАУ
ХА, У
красные
ХАУ;
белые
Х аУ
50% самки
25% самцы 25% самцы
Тот факт, что у самцов частота проявления рецессивного признака
была выше, чем у самок, наводил на мысль, что рецессивный аллель, определяющий белоглазость, находится в Х-хромосоме, а Y-хромосома лишена
гена окраски глаз.
Чтобы проверить эту гипотезу, Морган скрестил исходного белоглазого самца с красноглазой самкой из F1. В потомстве были получены красноглазые и белоглазые самцы и самки. Из этого Морган справедливо
заключил, что только Х-хромосома несет ген окраски глаз. В Y-хромосоме
соответствующего локуса вообще нет. Это явление известно под названием
наследования, сцепленного с полом.
Гены, находящиеся в половых хромосомах, называют сцепленными с
полом (рис. 26).
В Х-хромосоме имеется участок, для которого в Y-хромосоме нет
гомолога. Наследованием, сцепленным с X-хромосомой, называют наследование генов в случае, когда мужской пол гетерогаметен и характеризуется
наличием Y-хромосомы (XY), а особи женского пола гомогаметны и имеют
две X-хромосомы (XX). У человека около 60 генов наследуются сцепленно с
Х-хромосомой, в том числе гемофилия, дальтонизм (цветовая слепота),
мышечная дистрофия, потемнение эмали зубов, одна из форм агаммаглобулинемии и другие.
Если аллель сцепленного с полом гена, находящегося в X-хромосоме,
является рецессивным, то признак, определяемый этим геном, проявляется у
всех особей гетерогаметного пола, которые получили этот аллель вместе с
половой хромосомой, и у гомозиготных по этому аллелю особей гомогаметного пола. Это объясняется тем, что вторая половая хромосома (Y38
хромосома) у гетерогаметного пола не несет аллелей большинства или всех
генов, находящихся в парной хромосоме.
Таким признаком гораздо чаще будут обладать особи гетерогаметного
пола, которые являются гемизиготными организмами. Поэтому заболеваниями, которые вызываются рецессивными аллелями, сцепленными с Ххромосомой, гораздо чаще болеют мужчины, а женщины часто являются носителями таких аллелей.
Наследование таких признаков отклоняется от закономерностей, установленных Г.Менделем. Х-хромосома закономерно переходит от одного пола
к другому, при этом дочь наследует Х-хромосому отца, а сын Ххромосому матери. Наследование, при котором сыновья наследуют признак матери, а дочери – признак отца получило, название крисс-кросс (или
крест-накрест).
Рис. 26. Половые хромосомы человека.
Среди рецессивных признаков, сцепленных с Х-хромосомой, известны
нарушения цветового зрения, так называемая цветовая слепота. В основе
появления этих дефектов зрения лежит действие ряда генов. Красно-зеленая
слепота обычно называется дальтонизмом. Еще задолго до появления генетики в конце XVIII и в XIX в. было установлено, что цветовая слепота
наследуется согласно вполне закономерным правилам. Так, если женщина, страдающая цветовой слепотой, выходит замуж за мужчину с нормальным зрением, то у их детей наблюдается очень своеобразная картина
39
перекрестного наследования. Все дочери от такого брака получат признак
отца, т.е. они имеют нормальное зрение, а все сыновья, получая признак
матери, страдают цветовой слепотой.
В том же случае, когда наоборот, отец является дальтоником, а мать
имеет нормальное зрение, все дети оказываются нормальными. В отдельных
браках, где мать и отец обладают нормальным зрением, половина сыновей
может оказаться пораженными цветовой слепотой (рис. 27). В основном
наличие цветовой слепоты чаще встречается у мужчин.
Рис. 27. Сыновья-дальтоники (25 %) в семье здоровых родителей.
Э.Вильсон объяснил наследование этого признака, предположив, что
он локализован в Х-хромосоме и что у человека гетерогаметным (XY) является мужской пол. Становится вполне понятным, что в браке гомозиготной
нормальной женщины (ХDХD) с мужчиной дальтоником (ХdY) все дети рождаются нормальными. Однако при этом, все дочери становятся скрытыми
носителями дальтонизма, что может проявиться в последующих поколениях.
Другим примером наследования сцепленного с полом, может послужить рецессивный полулетальный ген, вызывающий несвертываемость
крови на воздухе – гемофилию (табл. 3). Это заболевание появляется почти
исключительно только у мальчиков. При гемофилии нарушается образование
фактора VIII, ускоряющего свертывание крови. Ген, детерминирующий
синтез фактора VIII, находится в участке Х-хромосомы (доминантный –
нормальный; рецессивный – мутантный).
40
Таблица 3
Рецессивный полулетальный ген, вызывающий гемофилию
Возможные
генотипы:
ХH Х H
ХH Х h
Х HY
Х hY
X hX h
Возможные
фенотипы:
Нормальная женщина
Нормальная женщина (носитель)
Нормальный мужчина
Мужчина-гемофилик
В гомозиготном состоянии у женщин ген гемофилии летален
Рис. 28. Генеалогическое древо царствовавших семей Европы, иллюстрирующее
наследование гена гемофилии, локализованного в X-хромосоме человека
Особей женского пола, гетерозиготных по любому из сцепленных с
полом признаков, называют носителями соответствующего рецессивного
гена. Они фенотипически нормальны, но половина их гамет несет рецессивный ген.
Несмотря на наличие у отца нормального гена, сыновья матерейносителей с вероятностью 50% будут страдать гемофилией. Один из наиболее хорошо документированных примеров наследования гемофилии – это
родословная потомков английской королевы Виктории (рис. 28).
Предполагают, что ген гемофилии возник в результате мутации у самой королевы Виктории или у одного из ее родителей. Среди унаследовавших это врожденное заболевание – цесаревич Алексей, сын последнего
41
русского царя Николая II. Мать цесаревича, царица Александра Федоровна
(Алиса), получила от своей бабушки королевы Виктории ген гемофилии и
передала его в четвертом поколении бывшему наследнику царского престола (рис. 29).
Рис. 29. Королева Виктория, царица Александра Федоровна (Алиса),
цесаревич Алексей, сын последнего русского царя Николая II.
Один из сцепленных с полом рецессивных генов вызывает особый
тип мышечной дистрофии (тип Дюшена). Эта дистрофия проявляется в раннем детстве и постепенно ведет к инвалидности и смерти ранее 20летнего возраста. Поэтому мужчины с дистрофией Дюшена не имеют
потомства, а женщины гетерозиготные по гену этого заболевания, вполне
нормальны.
Среди доминантных признаков, сцепленных с Х-хромосомой, можно
указать на ген, который вызывает недостаточность органического фосфора в
крови. В результате, при наличии этого гена, часто развивается рахит,
устойчивый к лечению обычными дозами витамина D. В этом случае картина сцепленного с полом наследования заметно отличается от того хода
передачи по поколениям, который был описан для рецессивных болезней. В
браках женщин-носительниц со здоровыми мужчинами половина детей
больных и половина потомков – здоровые. Здесь, в соответствии с характером наследование доминантного гена, в Х-хромосомах произошло расщепление по генотипу в соотношении 1:1:1:1.
Условные обозначения:
ХА – рахит;
Ха – норма
P:
рахит
♀ Х АХ а
G:
ХА; Ха
42
x
норма
♂ Х аУ
Х а, У
F1:
рахит
норма
рахит
норма
А а
а а
А
Х Х;
ХХ;
Х У;
Х аУ
25% ♀ 25% ♀
25% ♂ 25% ♂
Другим примером доминантного гена, локализованного в Ххромосоме человека, может послужить ген, вызывающий дефект зубов,
приводящий к потемнению эмали зубов.
Большинство генов, имеющихся в Х-хромосоме, в Y-хромосоме отсутствует, однако в этих негомологичных хромосомах есть гомологичные
участки. Тогда гены, расположенные в представленных локусах наследуются
по аутосомному принципу (например, геморрагический диатез).
Условные обозначения:
P:
норма
♀ Х АХ а
ХА – норма;
Ха – геморрагический
диатез;
УА – норма;
Уа – геморрагический
диатез.
G:
ХА; Ха
F1:
норма
ХАХа;
25% ♀
x
норма
♂ Х аУ А
Ха, УА
диатез
Х аХ а;
25% ♀
норма
ХАУА;
25% ♂
норма
Х аУ А
25% ♂
Кроме того есть гены, присутствующие только в Y-хромосоме. Yхромосома передается от отца всем его сыновьям, и только им. Следовательно, для генов, содержащихся только в Y-хромосоме, характерно голандрическое наследование, т.е. они передаются от отца к сыну и проявляются только по мужской линии (рис. 30).
Рис. 30. Родословная при голандрическом наследовании.
43
Y-хромосому называют генетически инертной или генетически пустой,
так как в ней очень мало генов. У человека в Y-хромосоме содержатся по
крайней мере три гена, один из которых необходим для дифференциации
семенников, второй требуется для проявления антигена гистосовместимости,
а третий оказывает влияние на размер зубов. Y-хромосома имеет немного
признаков, среди которых есть патологические.
Патологические признаки наследуются по параллельной схеме наследования (100% проявление по мужской линии). К ним относят: 1) облысение;
2) гипертрихоз (оволосенение козелка ушной раковины в зрелом возрасте); 3)
наличие перепонок на нижних конечностях; 4) ихтиоз (чешуйчатость и пятнистое утолщение кожи).
НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ, КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПОЛОМ
Признаки, выражение или проявление которых различно у представителей разных полов, или проявляющиеся только у одного пола, относятся к
ограниченным полом. Они могут определяться генами, расположенными
как в аутосомах, так и в половых хромосомах.
Имеется ряд признаков, контролируемых генами, расположенными в
аутосомах, однако для проявления этих признаков необходима определенная
среда, создаваемая генами, находящимися в половых хромосомах. Например,
гены, определяющие мужские признаки, находятся в аутосомах, и их фенотипические эффекты маскируются наличием пары Х-хромосом, в присутствии одной Х-хромосомы мужские признаки проявляются. Такие признаки
называются обусловленными или контролируемыми полом.
Появление лысины – аутосомно-доминантный признак, но проявляется практически только у мужчин при наследовании, контролируемом полом.
У женщин подавляются гены, детерминирующие рост бороды.
Примером у животных может служить наследование комолости (отсутствие рогов) у овец. У дорсетской породы овец оба пола рогаты. У суффольской породы, напротив, оба пола комолы. При скрещивании овец разных
пород в F1 получают рогатых баранов и комолых ярок (самок).
Известно, что многие признаки проявляются у представителей только
одного пола (например, способность давать молоко). Однако гены, определяющие этот признак, есть не только у коров, но и у быков. Установить, какова потенциальная способность быка давать высокомолочное потомство,
вполне возможно, хотя и косвенным путём. Для этого необходимо получить
сведения о молочности его дочерей. Более того, один из самых эффективных
44
способов быстрого повышения удоев состоит в интенсивном отборе быков по
их потенциальной молочности.
ГЕНОТИП КАК ЦЕЛОСТНАЯ СИСТЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ГЕНОВ
Генотип действительно является целостной системой, а не совокупностью независимых наследственных факторов, как считалось во времена Г.
Менделя. В примерах, которые рассматривались раннее, связь между генами
и признаками была простой и однозначной: каждый ген определял один признак. Поэтому может сложиться впечатление, что генотип – механическая
совокупность генов, а фенотип – мозаика отдельных признаков. И отдельная
клетка и весь организм являются целостными системами (где все биохимические и физиологические процессы строго согласованы и взаимосвязаны)
прежде всего, потому, что генотип – это система взаимодействующих генов.
Существует огромное количество свойств и признаков растений, животных и человека, которые обуславливаются двумя, тремя и даже многими
парами генов. От взаимодействия генов, в частности, зависит рост, телосложение и цвет кожи у человека, молочная продуктивность у коров, яйценоскость у кур, величина плодов у растений и т.д.
Различают две основных формы взаимодействия генов: взаимодействие аллельных генов и взаимодействие неаллельных генов (рис. 31).
Рис. 31. Виды взаимодействия аллельных и неаллельных генов.
45
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЛЕЛЬНЫХ ГЕНОВ
Аллельные гены – различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологических хромосом. Аллели
определяют варианты развития одного и того же признака. В нормальной
диплоидной клетке могут присутствовать не более двух аллелей одного локуса одновременно. Признак, обусловленный взаимодействием одной аллельной пары, называют простым, а форму взаимодействия – аллельной.
1. Полное доминирование (рис. 32) – вид взаимодействия аллельных
генов, при котором в гетерозиготном состоянии доминантный аллель полностью подавляет проявление рецессивного аллеля, фенотипически гибриды
F1 100% обладают доминантными признаками (гетерозигота имеет фенотип
одного из родителей – фенотип доминантной гомозиготы).
При наследовании всех менделирующих признаков наблюдается полное доминирование. Менделирующие признаки – признаки, наследующиеся по законам Менделя, например: альбинизм – рецессивный признак, не
проявляется в гетерозиготном состоянии. Поэтому у гибридов F2 наблюдается расщепление по генотипу 1:2:1, по фенотипу – 3:1.
Рис. 32. Полное доминирование.
ПОЛНОЕ ДОМИНИРОВАПНИЕ
F2
по генотипу: 1 : 2 : 1
по фенотипу: 3 : 1
2. Неполное доминирование (рис. 33) – вид взаимодействия аллельных
генов, при котором в гетерозиготном состоянии доминантный аллель неполностью подавляет проявление рецессивного аллеля. В результате имеет место
46
промежуточный характер наследования (гетерозигота имеет промежуточный
фенотип).
Рис. 33. Неполное доминирование.
У гибридов F2 расщепление по генотипу и фенотипу совпадают –
1:2:1.
НЕПОЛНОЕ ДОМИНИРОВАПНИЕ
F2
по генотипу: 1 : 2 : 1
по фенотипу: 1 : 2 : 1
Другим примером неполного доминирования служит серповидноклеточная анемия – наследственная гемоглобинопатия, связанная с таким нарушением строения белка гемоглобина, при котором он приобретает особое
кристаллическое строение – так называемый гемоглобин S. Эритроциты,
несущие гемоглобин S вместо нормального гемоглобина А, под микроскопом имеют характерную форму серпа (рис. 34), за что эта форма гемоглобинопатии и получила название серповидноклеточной анемии.
Эритроциты, несущие гемоглобин S, обладают пониженной стойкостью и пониженной кислород-транспортирующей способностью, поэтому у
больных с серповидноклеточной анемией повышено разрушение эритроцитов в селезенке, укорочен срок их жизни, повышен гемолиз и часто имеются
признаки хронической гипоксии.
Серповидноклеточная анемия наследуется по аутосомно-рецессивному
типу. У больных, гетерозиготных по гену серповидно-клеточной анемии
(Аа), наряду с серповидными эритроцитами, несущими гемоглобин S, в крови наличествуют и нормальные, несущие гемоглобин А. При этом болезнь
менее выражена клинически, протекает легче, а иногда вообще не вызывает
47
симптомов, и серповидные эритроциты выявляются случайно при лабораторном исследовании крови. У гомозигот (аа) по гену серповидноклеточной
анемии в крови имеются только серповидные эритроциты, несущие гемоглобин S, болезнь протекает тяжело и заканчивается летальным исходом.
Рис. 34. Строение эритроцитов при серповидноклеточной анемии.
Серповидноклеточная анемия весьма распространена в регионах мира,
эндемичных по малярии, причем больные серповидноклеточной анемией
обладают повышенной (хотя и не абсолютной) врожденной устойчивостью к
заражению различными штаммами малярийного плазмодия (рис. 35).
Рис. 35. Распространенность серповидноклеточной анемии и малярии.
3. Сверхдоминирование (рис. 36) – вид взаимодействия аллельных генов, при котором фенотипическое выражение признака у гетерозиготы (Аа)
намного ярче, чем у доминантной гомозиготы (АА). Этот вид взаимодействия генов лежит в основе гетерозиса.
48
Рис. 36. Свехдоминирование.
4. Аллельное исключение (рис. 37) – вид взаимодействия аллельных
генов, при котором в части соматических клеток организма, гетерозиготного
по данному локусу, активен один аллель, тогда как в других клетках другой.
Такой вид взаимодействия аллельных генов наблюдается при наследовании
признаков у организмов-мозаиков.
Рис. 37. Аллельное исключение.
5. Кодоминирование – вид взаимодействия аллельных генов, при котором у гетерозиготы отсутствуют доминантно-рецессивные отношения, аллели фенотипически проявляют себя как бы независимо друг от друга.
Примером кодоминантного взаимодействия аллелей является наследование
IV группы крови у человека.
В популяциях людей известны 4 антигенные группы крови человека:
А, В, АВ, О и три типа аллелей этого гена: I A, IB, i (табл. 4).
49
Таблица 4
Особенности наследования групп крови
Аллели
в популя-ции
Генотипы
Группы
крови
i
IA
IB
ii
IAIA, IAi
IBIb, IВi
I(O)
II (A)
III(B)
IV (AB)
IAIB кодоминиро─
Фенотипы
Агглютиногены (антигены) на
мембране
эритроцитов
─
А
В
А, В
Агглютинины (антитела) в
плазме
крови
α, β
β
α
─
вание
Генотипы IAIA, IAi имеют эритроциты, содержащие на поверхности
только антиген А, а в плазме крови гемагглютинин β (группа крови А или II).
Генотипы IBIb, IВi имеют эритроциты, содержащие на поверхности только
антиген В, а в плазме крови гемагглютинин α (группа крови В или III). Генотип IAIB имеет эритроциты, несущие оба антигена А и В, а в плазме крови
отсутствуют гемагглютинины α и β (группа крови IV или АВ). Это и есть
случай кодоминирования (рис. 38).
P:
x
III
II
IВi
IAi
G:
IВ
IA
i
IAi
IВi
IAIВ
ii
II
III
IV
I
i
F1 :
КОДОМИНИРОВАНИЕ
Рис. 38. Наследование IV группы крови.
50
У людей с генотипом ii на поверхности эритроцитов нет антигенов А и
В, а в плазме крови присутствуют гемагглютинины α и β.
Агглютинин α специфически связывается и осаждает эритроциты с антигеном А, агглютинин β – эритроциты с антигеном В. На этих взаимоотношениях основана система переливания крови. Долгие годы придерживались
так называемого закона Отенберга, согласно которому агглютинируют
только эритроциты перелитой донорской крови (а не эритроциты реципиента), учитывая, что агглютинины донорской крови разводятся в крови реципиента и не способны агглютинировать его эритроциты. Это обстоятельство
разрешало переливать наравне с одногруппной и кровь другой группы, сыворотка которой не агглютинировала эритроциты реципиента.
На практике используется следующая схема (рис. 39): реципиенту 0(I)
группы допустимо переливать донорскую кровь только 0(I) группы, реципиентам А(II) группы – донорскую кровь А(II) и 0(I) групп, реципиентам В (III)
группы – донорскую кровь В (III) и 0(I) групп, реципиентам АВ(IV) группы –
донорскую кровь всех четырех групп. Любому реципиенту можно вводить
кровь I группы (0), так как ее эритроциты не содержат агглютиногены и не
склеиваются, поэтому лиц с I группой крови называют универсальными
донорами, но им самим можно вводить кровь только I группы. Кровь от донора IV группы можно переливать только лицам данной группы, но им самим
можно переливать кровь всех четырех групп. Людей с IV группой крови
называют универсальными реципиентами.
Рис. 39. Схема переливания крови с учетом группы крови.
6. Множественный аллелизм – присутствие в генофонде популяции
одновременно 3 и более различных аллелей одного гена. Примером может
51
служить разнообразие окраски глаз человека, разнообразие групп крови. Ген
I может быть представлен тремя разными аллелями: IA, IB, i, которые комбинируются в зиготах только попарно.
Другим примером является наследование окраски шерсти у кроликов
(рис. 40). В популяции кроликов существует четыре аллеля.
Рис. 40. Наследование окраски шерсти в популяции кроликов.
Ген А отвечает за наследование темной окраски шерсти и доминируют
над всеми другими аллелями. Ген ach обуславливает шиншилловую окраску и
по отношению к генам ah и a ведет себя как доминантный. Ген ah отвечает за
гималайскую окраску шерсти и доминирует над геном a (белая окраска). Таким образом, А > ach > ah > a (табл. 5).
52
Таблица 5
Генотипы и фенотипы кроликов
Фенотипы
Темная окраска
Шиншилловая окраска
Гималайская окраска
Белая окраска
Аллели
А
аch
аh
а
Генотипы
АА, Ааch, Ааh, Аа
аchаch, аchаh, аchа
аhаh, аhа
аа
Причиной множественного аллелизма являются случайные изменения
структуры гена (мутации), сохраняемые в процессе естественного отбора в
генофонде популяции.
Многообразие аллелей, рекомбинирующихся при половом размножении, определяет степень генотипического разнообразия среди представителей данного вида, что имеет большое эволюционное значение, повышая жизнеспособность популяций в меняющихся условиях их существования. Кроме
эволюционного и экологического значения аллельное состояние генов оказывает большое влияние на функционирование генетического материала. В диплоидных соматических клетках эукариотических организмов большинство
генов представлено двумя аллелями, которые совместно влияют на формирование признаков.
ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕАЛЛЕЛЬНЫХ ГЕНОВ
Неаллельные гены – это гены, расположенные в различных участках
хромосом и кодирующие неодинаковые белки.
Неаллельные гены также могут взаимодействовать между собой. При
этом один признак проявляется под действием совокупности нескольких генов. Выделяют несколько форм взаимодействия неаллельных генов:
1) комплементарность;
2) эпистаз;
3) полимерия;
4) эффект положения.
КОМПЛЕМЕНТАРНОЕ ДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ – это вид взаимодействия неаллельных генов по принципу дополнения или комбинирования, когда доминантные аллели этих генов при совместном сочетании в генотипе
обусловливают новое фенотипическое проявление признаков.
53
Взаимодействие аллелей с новообразованием – межаллельная комплементация. В некоторых случаях при объединении в гибриде разных аллелей
независимого происхождения, рецессивных по отношению к дикому типу,
наблюдают восстановления нормы, т.е. признака дикого типа. Разные рецессивные аллели одного и того же гена отличаются друг от друга тем, что кодируют пептиды с повреждением разных доменов. Если в гетерозиготе (компаунде) объединятся аллели с разными повреждениями таким образом, что в
молекуле фермента, состоящей из субъединиц-продуктов одного и того же
гена, соберутся все необходимые функциональные центры, то ферментативная активность будет восстановлена.
КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ (расщепление по фенотипу)
9: 7
9: 3: 4
F2 :
9: 6: 1
9: 3: 3: 1
Комплементарность (взаимодополняющий эффект)
Явление, когда признак развивается при взаимодополняющем действии доминантных неаллельных генов. По типу комплементарности взаимодействуют гены, контролирующие разные этапы одного и того же метаболического пути. Впервые такой тип взаимодействия генов был описан Бетсоном и Пеннетом при анализе наследования окраски венчика у душистого
горошка. При скрещивании растений душистого горошка с белыми цветами в
первом поколении все растения имели пурпурные цветы (как у дикого вида
душистого горошка) формы, а во втором поколении наблюдалось расщеплении в соотношении 9 пурпурные : 7 белые.
Для объяснения полученного результаты было сделано предположение, что синтез пурпурного пигмента контролируют два неаллельных доминантных гена, продукты которых задействованы на разных этапах метаболического пути. Мутация любого из этой пары гена прерывает процесс синтеза
пигмента. Взятые для скрещивания растения в своем генотипе имели мутации разных комплементарных генов.
Схема скрещивания:
Р: белые венчики
белые венчики
♀ ААbb
х
♂ ааВВ
54
G:
Аb
аВ
F1: АаВb – 100% пурпурные венчики
Условные обозначения:
А – отвечает за синтез пропигмента – бесцветного
предшественника пигмента;
а – не происходит синтеза
пропигмента;
В – определяет синтез фермента, под действием которого из пропигмента образуется пигмент красного цвета;
в – синтез фермента не происходит.
F2: 9/16 – пурпурные (А•В•) : 7/16 белые ( 3/16 – А•bb, 3/16 – ааВ•; 1/16 –
ааbb).
Вторым примером взаимодополняющего действия может служить
наследование окраски шерсти у мышей (рис. 41), когда при скрещивании чистопородных линий черных и белых мышей, все гибриды первого поколения
(F1) имеют серую окраску шерсти (комплементарная), а в F2 наблюдается
расщепление по фенотипу 9 серые : 3 черные : 4 белые.
Рис. 41. Наследование окраски шерсти у мышей.
55
При этом первая пара аллельных генов отвечает за синтез пигмента (С
– синтез пигмента; с – отсутствие пигмента (альбинизм)), вторая пара генов –
за распределение пигмента по длине волоса (А – зональное распределение
пигмента; а – не определяет зонального распределения пигмента).
Формула дигибридного расщепления по фенотипу:
9
:
А•C•
серая
9
3
ааC•
черная
:
:
3
А•cc
белая
3
:
:
1
ааcc
белая
4
Третьим примером взаимодополняющего действия является наследование формы плода у тыквы (рис.42). В результате комплементарного взаимодействия генов в F2 наблюдается соотношение 9: 6: 1.
Рис. 42. Генотипы: А•bb – округлая форма; ааВ• – округлая форма;
А•В• – дисковидная форма (комплементарная); ааbb – удлиненная форма.
56
Комплементарность (комбинативное взаимодействие)
Один из первых примеров взаимодействия неаллельных генов был обнаружен в начале XX в. при анализе наследования формы гребня у кур. Описано четыре разновидности форм гребней, при этом разные породы имеют
характерную морфологию гребня (рис. 43):
Рис. 43. Разновидности форм гребней у разных пород кур.
 леггорны – листовидный (простой гребень),
 виандотты – розовидный (низкий, утолщенный спереди, заостренный
сзади и у основания покрытый сосочками),
 европейские – гороховидный (невысокий, с тремя продольными пластинками),
 малайские – ореховидный, напоминающий поверхность половинки
грецкого ореха.
В результате скрещиваний кур, имеющих розовидный и гороховидный
гребни, в F1 возникает новая форма гребня – ореховидный (из-за взаимодействия генов A и B).
Р: Розовидный
♀ AAbb
G:
F1:
Ab
х
Гороховидный
♂ aaBB
aB
AaBb – 100% Ореховидный
Скрещивание гибридов F1 дает следующие результаты в F2:
57
AB
Ab
aB
Ab
AB
Орех.
AABB
Орех.
AABb
Орех.
AaBB
Орех.
AaBb
Ab
Орех.
ААВb
Розов.
ААbb
Орех.
АаВb
Розов.
Ааbb
аB
Орех.
АаВВ
Орех.
АаВb
Горох.
ааВВ
Горох.
ааВb
аb
Орех.
АаВb
Розов.
Ааbb
Горох.
ааВb
Листов.
ааbb
Потомство F2 характеризуется следующими особенностями:
1. Присутствие доминантных аллелей двух генов А и В у 9/16 кур второго поколения ведет к образованию ореховидного гребня.
2. Присутствие гена А в гомо- или гетерозиготном состоянии при рецессивном b дает розовидную форму у 3/16 особей, а гены ааВ – у 3/16
потомства дают гороховидный гребень.
3. Гомозиготы по обоим рецессивным генам ааbb имеют новый фенотип – простой листовидный гребень. Этот признак в последующих скрещиваниях не дает расщепления.
Итак, взаимодействие доминантных генов А и В изменяет форму гребня. В этом случае расщепление в дигибридном скрещивании нарушается,
однако очевидно, что общее соотношение вариантов 9 : 3 : 3 : 1 сохраняется.
Наследование окраски плодов у перца – 9 : 3 : 3 : 1 (рис. 44).
Рис. 44. Разновидности окраски перца: генотипы R•cc – коричневая окраска,
rrC• – желтая; R•C• – красная (комплементарная); rrcc – зеленая.
58
Наследование окраски тела у змей (рис. 45).
Во втором гибридном поколении наблюдается расщепление в соотношении 9 : 3 : 3 : 1. При этом ген А отвечает за синтез красного пигмента, а – отсутствие синтеза красного пигмента; ген В обусловливает полосатый рисунок, b – ромбовидный рисунок.
Рис. 45. Генотипы змей: (а) – ААВВ; (b) – ааВВ; (с) – ААbb; ( d ) – ааbb.
ЭПИСТАЗ (подавление) – ген одной аллельной пары подавляет действие генов другой аллельной пары. Ген, подавляющий действие другого
гена, называется эпистатическим геном, ингибитором или супрессором.
Подавляемый ген носит название гипостатического.
ЭПИСТАЗ (расщепление по фенотипу)
F2 :
13 : 3
12 : 3 : 1
9:3:4
Различают доминантный и рецессивный эпистаз.
При доминантном эпистазе доминантный аллель одного гена (генсупрессор) подавляет действие доминантной или рецессивной аллели другого
гена (гипостатический ген). Ген А (супрессор) подавляет ген В (гипостатический) или ген А (эпистатический) подавляет ген b (гипостатический). При
59
доминантном эпистазе в дигибридном скрещивании происходит расщепление
в соотношении 12:3:1 или 13:3.
♂
♀
АС
Ас
аС
ас
АС
Ас
аС
ас
Э п и с т а з 13 : 3
Рис. 46.Расщепление 13:3 в F2 при доминантном эпистазе.
Например, при скрещивании 2 белых кур леггорн ААСС и виандотт
аасс во втором поколении произойдёт расщепление 13 белых : 3 окрашенных. Ген С подавляет ген А. В отсутствии гена С проявляется ген А, и куры
окрашены (рис. 46).
У лошадей ген В обусловливает синтез черного пигмента (вороная
масть), а ген b – рыжую масть. Ген С – эпистатический ген (серая масть –
результат эпистаза), а его рецессивный аллель с не подавляет проявлений
гена B и b. Лошади серой масти имеют генотип – 9 •ѕ и 3 bbС•; вороные –
3В•сс, рыжие – 1bbсс. Расщепление 12 : 3 : 1 (рис. 47).
60
Рис. 47. Расщепление 12:3:1 в F2 при доминантном эпистазе.
В случае рецессивного эпистаза рецессивный эпистатический аллель
в гомозиготном состоянии препятствует проявлению доминантной или рецессивной аллели другого гена (аа подавляет ген В или аа подавляет ген b).
При рецессивном эпистазе в дигибридном скрещивании происходит расщепление в соотношении 9 : 3 : 4.
Примером рецессивного эпистаза у животных служит окраска шерсти
у кроликов (рис. 48). Окраска «агути» у них определяется доминантным геном В, а чёрная окраска его рецессивным геном b. Оба признака проявляются
только при наличии доминантного гена А, а его рецессивная аллель (а) подавляет цветность.
61
♂
♀
АВ
Аb
аВ
аb
АВ
Аb
аВ
аb
Рецессивный эпистаз
9:3:4
Рис. 48. Расщепление 9 : 3 : 4 в F2 при рецессивном эпистазе.
Ярким примером рецессивного эпистаза у человека является "Бомбейский феномен". Так, у человека группы крови АВО контролируются тремя
аллелями одного гена IA – вторая группа (синтез антигена А), IB – третья
группа крови (синтез антигена В), i – первая группа кровит (синтез антигенов
не происходит). В популяции встречается редкий мутантный аллель h независимого гена, который в гомозиготном состоянии подавляет действие аллелей А и В, что приводит к фенотипическому проявлению первой группы крови.
Рис. 49. Генотипы родителей и потомков с фенотипом крови Бомбей.
62
В Индии была описана семья, в которой родители имели вторую и
первую группу крови. Оба родителя были гомозиготными по группам крови,
и рождение ребенка с четвертой группой крови в их семье вызвало недоумение (рис. 49).
Таким образом, "Бомбейский феномен" определяется тем, что в генотипе детей есть ген подавляющий действие генов IА и IВ.
Рис. 50. Часть родословной женщины с фенотипом крови Бомбей.
Генетически она имеет группу крови В, но из-за отсутствия антигенов АВ ее кровь
отнесена к группе 0.
Группа крови АВ0 хорошо исследована биохимически. Известно, что
антигены А и В представляют собой карбогидратные группы (углеводные
остатки), связанные с жирными кислотами, молекулы которых выступают
над поверхностью мембраны эритроцитов. Специфичность этих антигенов
обусловлена концевым остатком карбогидратной цепи. Оба антигена происходят из одного и того же предшественника, или Н-вещества, к молекулам
которого затем добавляется один или два концевых углеводных остатка сахара.
В крайне редких случаях, например, у женщин из Бомбея (Индия)
имеется дефектное Н-вещество, которое не связывается с ферментом, добавляющим концевые углеводные остатки. У носителей группы крови 0 это приводит к фенотипу Бомбей. Оказалось, что этот дефект обусловлен рецессивной мутацией h в локусе, не гомологичном локусам А и В. Поэтому при
наличии у человека аллелей IA и (или) IB вместе с генотипом hh антигены А и
В в крови не обнаруживаются. Вот почему у одной из жительниц Бомбея с
генотипом hh определили группу крови 0, хотя ее родители имели группу
крови АВ, а сын был носителем аллеля IB (рис. 50).
ПОЛИМЕРИЯ – явление, когда несколько неаллельных доминантных
генов контролируют развитие одного и того же признака. Такие гены называются полимерными и обозначаются одной и той же буквой, но с другим
63
индексом (например: А1, А2, А3, А4 и т.д.). Различают кумулятивную и некумулятивную полимерию.
Рис. 51. Некумулятивная полимерия.
При некумулятивной полимерии признак проявляется при наличии
хотя бы одного из доминантных аллелей полимерных генов. Количество доминантных аллелей не влияет на степень выраженности признака. Впервые
некумулятивная полимерия была описана в 1908 г. Нильсоном-Эле при анализе наследования окраски эндосперма зерновок пшеницы (рис. 51). Доминантные неаллельные гены А1 и А2 обуславливают красную окраску зерен
пшеницы, их рецессивные аллели а1 и а2 – отсутствие окраски. Действие генов А1 и А2 однозначно.
При наличии двух полимерных генов расщепление во втором поколении соответствует 15 : 1, при наличии трёх полимерных генов – 63 : 1 и
т.д.).
При кумулятивной полимерии действие полимерных генов суммируется, чем их больше, тем ярче выражен признак. Расщепление во втором поколении будет зависеть от количества полимерных генов (суммарный или
аддитивный эффект генов), присутствующих в генотипе.
По типу кумулятивной полимерии наследуются многие количественные признаки (у человека: пигментация кожи, рост, вес, уровень интеллекта,
скорость протекания биохимических реакций, артериальное давление, со64
держание сахара в крови; у животных: жирность молока; у растений: яровость, озимость, содержание витаминов, длина колоса у злаков, интенсивность окраски частей растения и др.).
Цвет кожи человека определяется взаимодействием нескольких пар
генов по типу кумулятивной полимерии, т.е. цвет кожи тем темнее, чем
больше доминантных генов в генотипе (рис. 52).
Возможные генотипы и
фенотипы цвета кожи
при наличии двух полимерных генов:
черная кожа – A1A1A2A2
темная – A1A1A2a2
смуглая (мулат) – A1a1A2a2
светлая – A1a1а2a2
белая – а1a1а2a2.
Расщепление по фенотипу в
F2
1: 4: 6: 4: 1
Рис. 52. Кумулятивная полимерия.
ЭФФЕКТ ПОЛОЖЕНИЯ ГЕНОВ – влияние расположения генов в
хромосоме на проявление их активности. Явление открыто американским
генетиком А. Стёртевантом в 1925 году. Наблюдается при структурных
перестройках хромосом (транслокациях), в результате которых гены активных зон хромосом (эухроматина) могут переноситься в неактивные зоны (гетерохроматин) и инактивироваться и наоборот. При перестройке, возвращающей эухроматиновый ген из гетерохроматина в любую точку эухроматина,
функционирование данного гена восстанавливается.
Эффект положения гена можно проследить при наследовании резус
фактора (Rh-фактор).
65
Рис. 53. «Эффект положения».
В простейшем варианте резус-положительность доминирует над резусотрицательностью и практически наследование Rh-фактора иммитирует моногогенное наследование. Однако ряд исследований показывает, что система
Rh определяется тремя антигенными факторами, которые детермируются
тремя тесно сцепленными генами С, Д, Е, локализованными в коротком плече хромосомы 1. Внутри аллельных пар действует полное доминирование, а
при взаимодействии между ними «эффект положения». Все это обусловливает разнообразие вариантов резус-антигенов и соответственно резуснесовместимости.
Основная роль в Rh-системе принадлежит антигену D. При его наличии на поверхности эритроцитов кровь является резус-положительной. Резусотрицательный фенотип формируется при отсутствии антигена D.
Однако антигены C и E оказывают влияние на резус-несовместимость.
Суть «эффекта положения» в следующем: в рассмотренном примере
(рис. 53) оба человека имеют одинаковые фенотипы и генотип. Они гетерозиготы по трем парам генов (CcDdEe) и оба резус-положительные, но в антигенном плане их кровь несовместима. У человека, у которого в одной хромосоме порядок расположения генов Cde, а в другой соответственно cDE, будут
синтезироваться все три вида антигенов C, D, E и его кровь будет несовместима с кровью второго человека.
66
У второго человека порядок расположения генов внутри хромосомы
cDe, а в гомологичной – CdE. Там, где в одной хромосоме расположены доминантные гены С и Е, ген Е выступает в роли супрессора по отношению к
гену С. Следовательно, фенотипическое проявление гена С в признак подавлено, антиген С не синтезируется.
РЕЗУС-ФАКТОР И РЕЗУС-КОНФЛИКТ
Резус-фактор крови – антиген, представляющий собой особый вид протеина, присутствующего на оболочке красных кровяных телец человека и
макаки-резус. Открыт белок был в 1940 году А. Винером и К. Ландштейнером.
Этот белок есть у 85% жителей планеты европеоидной расы. Таких
людей называют резус-положительными. Если же белка на оболочке эритроцитов нет – они называются резус-отрицательными. Среди людей монголоидной расы резус-отрицательных людей еще меньше – всего 1%, а среди жителей планеты негроидной расы только 7%.
Резус крови – это достаточно непростая конструкция, в которую входит не меньше сорока различных антигенов. Каждый из антигенов имеет свое
«имя», которое прописывается с помощью букв и цифр. Наиболее распространенными антигенами являются Д, С, Е. Именно эти антигены наиболее
активны.
Rh-пол.
♀ Rr
P:
G:
R, r
F 1:
RR;
Rh-пол.
♂ Rr
x
R, r
Rh-пол.
Rr;
75%
Rr;
Rh-отр.
rr
25%
Резус крови передаётся по наследству как доминантный признак (R –
ген наличия резус фактора, а r – отсутствие его) и не меняется в течение всей
жизни.
Если у родителей присутствует резус (Rr, Rr), то у ребенка резус может присутствовать (RR, Rr), а может и отсутствовать (rr).
67
Если один из родителей резус-положителен (RR, Rr), а второй отрицателен (rr), – малыш может унаследовать как положительный резус (Rr), так и
отрицательный (rr).
В том случае, если и у мамы и у папы резус отрицателен, ребенок обязательно также родится резус-отрицательным.
Обычно отрицательный резус-фактор никаких неприятностей его хозяину не приносит. Особого внимания и ухода требуют лишь резусотрицательные беременные женщины.
Если у будущей мамы резус отрицательный, а у будущего папы положительный, возникает опасность резус-конфликта. Но начаться он может
лишь в том случае, если ребенок унаследует резус отца. Тогда его кровь будет плохо совместима с кровью матери (рис. 54).
Рис. 54. Резус-конфликт при беременности.
Во время беременности мать и плод едины, и, несмотря на то, что
кровь их не смешивается, многие продукты обмена веществ да и отдельные
клетки от плода поступают к матери, и наоборот. Этот обмен идет через
структуры плаценты, через ту ее часть, которая называется плацентарным
барьером.
Rh-кoнфликт возникает не ранее 7-8-й недели беременности, когда
начинается формирование кроветворения у зародыша. Резус-положительные
эритроциты плода преодолевают плацентарный барьер и, попадая в кровь
матери, а ее организм, воспринимаются как нечто чужеродное. Организм матери начинает вырабатывать защитные антитела. Защищая мать, эти антитела
несут серьезную угрозу ее ребенку. При тяжелой форме резус-конфликта
68
возможна внутриутробная гибель плода и выкидыш на любом сроке беременности.
Антитела матери проникают через плаценту и разрушают эритроциты
ребенка. В крови появляется большое количество вещества, называемого билирубином. Билирубин окрашивает кожу малыша в желтый цвет. Поскольку
эритроциты плода непрерывно уничтожаются, его печень и селезенка стараются ускорить выработку новых эритроцитов, увеличиваясь при этом в размерах. В конце концов, и они не справляются с восполнением убыли эритроцитов. Возникает состояние анемии (низкое содержание в крови эритроцитов, гемоглобина). Резус-конфликт может быть причиной поражения головного мозга ребенка, нарушения функции слуха и речи. В самых тяжелых случаях резус-конфликт проявляется врожденной водянкой (отеком) плода, которая может привести к его гибели.
В тяжелых случаях новорожденному может помочь заменное переливание крови. Ему вводят одногруппную резус-отрицательную кровь и проводят реанимационные мероприятия.
Рис. 55. Гемолиз эритроцитов при резус-конфликте.
Учёт резус фактора, как и группы крови, является обязательным при
переливании крови. Если в тело резус-отрицательного пациента влить кровь с
присутствующим резусом, в организме начнут вырабатываться антитела (рис.
55), под действием которых наступает гемолиз эритроцитов донора (эритроциты, обладающие резусом, склеиваются в длинные цилиндры).
69
Для профилактики подобных осложнений необходимо переливать резус-отрицательному реципиенту только резус-отрицательную кровь и перед
переливанием производить пробу на совместимость не только по группам
крови, но и по резус-фактору.
СПЕЦИФИКА ПРОЯВЛЕНИЯ ГЕНА В ПРИЗНАК
Плейотропия – множественное действие гена (один ген контролирует
развитие нескольких признаков).
Часто наблюдается явление, когда одна пара генов влияет сразу на несколько признаков. Еще Мендель в своих опытах установил, что растения
гороха, имеющие пурпуровые цветки, кроме того всегда имеют красные пятна в пазухах листьев и образуют семена, покрытые серой или бурой кожурой,
и что все эти признаки зависят от действия одного наследственного фактора.
При изучении генетических особенностей персидской пшеницы
Н.И.Вавилов установил, что доминантный ген черной окраски всегда одновременно вызывает и сильное опушение чешуй.
У плодовой мушки дрозофилы ген, определяющий отсутствие пигмента в глазах, снижает плодовитость, влияет на окраску некоторых внутренних
органов и уменьшает продолжительность жизни.
У каракульских овец одним геном определяются цвет шерсти и развитие рубца.
Плейотропное действие гена может быть первичным и вторичным
(рис. 56).
Рис. 56. Виды плейотропии.
70
При первичной плейотропии ген проявляет свой множественный эффект. Например, при болезни Хартнупа мутация гена приводит к нарушению
всасывания аминокислоты триптофана в кишечнике и его реабсорбции в почечных канальцах. При этом поражаются одновременно мембраны эпителиальных клеток кишечника и почечных канальцев с расстройствами пищеварительной и выделительной систем.
Рис. 57. Синдром Марфана.
У человека известен доминантный ген, определяющий признак "паучьи
пальцы" (синдром Марфана). Одновременно ненормальное развитие пальцев
сопровождается нарушением строения хрусталика и развитием порока сердца
(рис. 57). Здесь в основе множественного эффекта тоже лежит действие одного гена, вызывающего нарушение развития соединительной ткани.
При вторичной плейотропии есть один первичный фенотипический
признак – проявление мутантного гена, вслед за которым развивается ступенчатый процесс вторичных изменений, приводящих к множественным эффектам. Так, при серповидноклеточной анемии у гомозигот наблюдается несколько патологических признаков: анемия, увеличенная селезенка, поражение кожи, сердца, почек и мозга. Поэтому гомозиготы с геном серповидноклеточной анемии гибнут, как правило, в детском возрасте. Все эти фенотипические проявления гена составляют иерархию вторичных проявлений.
Первопричиной, непосредственным фенотипическим признаком проявлением дефектного гена является аномальный гемоглобин и эритроциты серповидной формы. Вследствие этого происходят последовательно другие пато71
логические процессы: слипание и разрушение эритроцитов, анемия, дефекты
в почках, сердце, мозге – эти патологические признаки вторичны.
При плейотропии, ген, воздействуя на какой-то один основной признак, может также менять, модифицировать проявление других генов, в связи
с чем введено понятие о генах-модификаторах. Последние усиливают или
ослабляют развитие признаков, кодируемых "основным" геном.
Модифицирующее действие гена – ген усиливает или ослабляет действие неаллельного гена. Существуют гены "основного действия", т.е. такие,
которые определяют развитие признака или свойства, например выработку
пигмента, форму плода, чувствительность или устойчивость к заболеваниям
и т.д. Наряду с такими генами, по-видимому, существуют гены, которые сами
по себе не определяют какую-либо качественную реакцию или признак, они
лишь усиливают или ослабляют проявление действия "основного" гена, т.е.
модифицируют его, – такие гены получили название модификаторов. Любые взаимодействующие гены в одно и то же время являются генами "основного" действия по одному признаку, а по другому (или другим) являются
генами-модификаторами.
Показателями зависимости функционирования наследственных задатков от характеристик генотипа является пенетрантность и экспрессивность.
Рассматривая действие генов, их аллелей необходимо учитывать и модифицирующее влияние среды, в которой развивается организм. Если растения примулы скрещивать при температуре 15-20 °С, то в F1 согласно менделевской схеме, все поколения будут иметь розовые цветы. Но когда такое
скрещивание проводить при температуре 35 °С, то все гибриды будут иметь
цветы белого цвета. Если же осуществлять скрещивания при температуре
около 30 °С, то возникает разное соотношение (от 3:1 до 100%) растений с
белыми цветами.
Такое колебание классов при расщеплении в зависимости от условий
среды получило название пенетрантность – сила фенотипического проявления. Итак, пенетрантность – это частота проявления гена, явление появления или отсутствия признака у организмов, одинаковых по генотипу.
Пенетрантность значительно колеблется как среди доминантных, так и
среди рецессивных генов. Наряду с генами, фенотип которых появляется
только при сочетании определенных условий и достаточно редких внешних
условий (высокая пенетрантность), у человека есть гены, фенотипическое
проявление которых происходит при любых соединениях внешних условий
(низкая пенетрантность). Пенетрантность измеряется процентом (%) орга72
низмов с фенотипическим признаком от общего количества обследованных
носителей соответствующих аллелей.
Если ген полностью, независимо от окружающей среды, определяет
фенотипическое проявление, то он имеет пенетрантность 100 % (полная пенетрантность). Однако, некоторые доминантные гены проявляются менее
регулярно. Так, полидактилия имеет четкое вертикальное наследования, но
бывают пропуски поколений. Доминантная аномалия – преждевременное
половое созревание – присуще только мужчинам, однако иногда заболевание
может передаться от человека, который не страдал этой патологией. Пенетрантность указывает, в каком проценте носителей гена оказывается соответствующий фенотип. Итак, пенетрантность зависит от генов, от среды, от того
и другого. Таким образом, это не константное свойство гена, а функция генов
в конкретных условиях среды.
Экспрессивность (лат. “ехргеssio” – выражение) – это изменение количественного проявления признака в разных особях-носителях соответствующего аллеля.
При доминантных наследственных заболеваниях экспрессивность может колебаться. В одной и той же семье могут проявляться наследственные
болезни от легких, едва заметных до тяжелых: различные формы гипертонии, шизофрении, сахарного диабета и т.д. Рецессивные наследственные заболевания в пределах семьи проявляются однотипно и имеют незначительные колебания экспрессивности.
Таким образом, пенетрантность – это вероятность фенотипического
проявления гена, которая выражается в процентах (отношение больных особей к числу носителей соответствующего гена).
Экспрессивность – степень клинического проявления гена, которая
может быть слабой или сильной. Пенетрантность и экспрессивность генов
зависят от эндогенных и экзогенных факторов. Например, если для проявления гемофилии решающее значение имеет нарушение в геноме, то возникновение сахарного диабета зависит от взаимодействия генетических факторов и
внешней среды. В последнем случае говорят о наследственном предрасположении. Способность генотипа по-разному проявляться в различных условиях
среды называется нормой реакции. Норма реакции наследуется, а изменения
в пределах нормы реакции не наследуются.
Ряд сходных по внешнему проявлению признаков, в том числе и
наследственных болезней, может вызываться различными неаллельными генами. Такое явление называется генокопией. Биологическая природа геноко73
пий заключается в том, что синтез одинаковых веществ в клетке в ряде случаев достигается различными путями.
Одним из первых это явление изучал Н.В.Тимофеев-Ресовский. По
предложению Н.В.Тимофеева-Ресовского, с середины 1930-х годов гетерогенными группами стали называть группы генов, дающих весьма сходное
внешнее проявление, но локализованных в разных хромосомах или разных
локусах, как, например, группа генов minute, обусловливающих редукцию
щетинок у дрозофилы. Это явление широко распространено в живой природе, включая человека. Правда, в генетической литературе для его обозначения обычно используют не термин Н.В. Тимофеева-Ресовского «гетерогенные группы», а более поздний (середины 40-х годов XX века), предложенный
немецким генетиком X.Нахтсхаймом – «генокопии», в дополнение к которому позже был введен термин «фенокопии».
В наследственной патологии человека большую роль играют также
фенокопии – модификационные изменения. Они обусловлены тем, что в процессе развития под влиянием внешних факторов признак, зависящий от
определенного генотипа, может измениться; при этом копируются признаки,
характерные для другого генотипа. Таким образом, фенокопия – ненаследственное изменение фенотипа организма, вызванное действием определённых условий среды и копирующее проявление какого-либо известного
наследственного изменения – мутации – у этого организма.
В развитии фенокопий могут играть роль разнообразные факторы среды – климатические, физические, химические, биологические и социальные.
Врожденные инфекции (краснуха, токсоплазмоз, сифилис) также могут стать
причиной фенокопий ряда наследственных болезней и пороков развития.
Существование гено- и фенокопий нередко затрудняет постановку диагноза,
поэтому существование их врач всегда должен иметь в виду.
74
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………..…
Законы Менделя…………………………………………………………..
Метод гибридологического анализа…………………………….....
Первый закон Менделя……………………………………………..
Второй закон Менделя……………………………………………..
Третий закон Менделя……………………………………………...
Цитологические основы первого и второго законов Менделя…..
Цитологические основы закона независимого наследования признаков……………………………………………………………
Связь между первым, вторым и третьим законами Менделя……
Сцепленное наследование………………………………………………..
Анализирующее скрещивание……………………………………..
Опыты Томаса Моргана…………………………………………….
Полное сцепление……………………………………………..
Неполное сцепление. Кроссинговер………………………….
Хромосомная теория наследственности…………………………………
Генетика пола……………………………………………………………..
Уровни половой дифференцировки человека…………………….
Типы определения пола…………………………………………….
Хромосомные механизмы формирования пола в популяциях
животных……………………………………………………………
Балансовая теория определения пола……………………………...
Генетический пол в популяциях людей……………………………
Наследование признаков, сцепленных с полом…………………………
Реципрокное скрещивание…………………………………………
Наследование признаков, контролируемых полом……………….
Генотип как целостная система взаимодействующих генов…………..
Взаимодействие аллельных генов…………………………………
Полное доминирование………………………………………..
Неполное доминирование……………………………………..
Сверхдоминирование……………………………………...…..
Аллельное исключение……………………………………….
Кодоминирование……………………………………………..
Множественный аллелизм……………………………………
Типы взаимодействия неаллельных генов…………………………
Комплементарность……………………………………………
Эпистаз…………………………………………………………
«Бомбейский феномен»……………………………………
Полимерия……………………………………………………...
Эффект положения генов……………………………………...
75
3
3
5
7
8
9
11
12
13
13
15
16
17
18
20
21
22
27
28
31
32
36
36
43
44
45
45
46
48
48
49
51
53
53
59
61
63
65
Резус-фактор и резус-конфликт………………………………………….
Специфика проявления гена в признак………………………………….
Плейотропия…………………………………………………………
Модифицирующее действие гена…………………………………..
Пенетрантность……………………………………………………...
Экспрессивность…………………………………………………….
Генокопия и фенокопия…………………………………………….
Литература и интернет-ресурсы………………………………………….
76
66
69
69
71
71
72
73
77
ЛИТЕРАТУРА и ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ:
1) Слюсарев А.А. Биология с общей генетикой: учебник. – М.: Альянс,
2011. – 472 с.
2) Никольский В.И. Генетика: учебник, 2010. – 368 с.
3) Курчанов Н.А. Генетика человека. – Санкт-Петербург, 2009.
4) Н.А.Курчанов. Генетика человека с основами общей генетики (уч.
пос.). – Санкт-Петербург, СпецЛит, 2009 . – 191с.
5) Генетика: учебник для ВУЗов / Под ред. В.И. Иванова. – М.: Академкнига, 2006.
6) Общая генетика (метод.пос.)\ Под ред. С. Г. Инге-Вечтомова. – СПб:
Изд-во Н-Л, 2008. – 124 с.
7) Биология (1-3 т.): Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут. – Москва: Мир,
2008 г.
http://900igr.net/kartinki/biologija/Izmenchivost/001-TemaNasledstvennaja-izmenchivost.html
http://biofile.ru/bio/2604.html
http://biofile.ru/bio/6805.html
http://www.tepka.ru/biologia10-11/46.html
http://900igr.net/kartinki/biologija/Izmenchivost-organizmov/002Izmenchivost.html
77