Генетика пола. Сцепленное наследование признаков

Так как гетерогаметный пол гемизиготен по сцепленным с  полом генам, то эти гены всегда проявляются в их фенотипе, даже если они рецессивны. Большинство генов, имеющихся в Х-хромосоме, в Y-хромосоме отсутствует, однако определенную генетическую информацию она все-таки несет. Различают два типа такой информации: во-первых, содержащуюся в генах, присутствующих только в Y-хромосоме, и, во-вторых, в генах, присутствующих как в Y-, так и в Х-хромосоме (гемфрагический диатез).

Y-хромосома 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 у мужского пола.

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%-ое 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).

2.3. Наследование признаков, контролируемых  полом.

 

Имеется ряд признак, 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.

3. Сцепленное наследование признаков.

 

Наряду с признаками, наследуемыми независимо, обнаружены признаки, наследуемые совместно (сцепленно). Экспериментальное наследование этого явления, проведенное Т.Г. Морганом и его группой (1910-1916), подтвердило хромосомную локализацию генов и легло в основу хромосомной теории наследственности.

 

3.1. Хромосомная теория  наследственности.

 

В работах на плодовой мушке Drosophila melanogaster было установлено, что гены по признаку совместной их передачи потомкам подразделяются на 4 группы. Число таких групп сцепления равно количеству хромосом в гаплоидном наборе. Можно заключить, что развитие признаков, которые наследуются сцепленно, контролируется генами одной хромосомы. Этот вывод обосновывается также данными следующих наблюдений. Скрещивание серой мухи (В) с нормальными крыльями (V) и черной мухи (в) с зачаточными крыльями (v) дает в 1-ом поколении серых гибридов с нормальными крыльями . При скрещивании самца-гибрида 1-го поколения с черной самкой с зачаточными крыльями рождаются особи 2 видов, аналогичных исходным родительским формам, причем в равном количестве.

Полученные в проведенных  скрещиваниях данные нельзя объяснить  независимым наследованием признаков. Рассматриваемые совместно результаты обоих скрещиваний убеждают в том, что развитие альтернативных признаков контролируется различными генами, и сцепленное наследование этих признаков объясняется локализацией генов в одной хромосоме.

Основные положения  хромосомной теории наследственности, сформулированной Т.Г. Морганом, заключаются в следующем.

1. Гены располагаются в хромосомах; различные хромосомы содержат неодинаковое число генов каждой из негомологичных хромосом уникален.
2. Аллельные гены занимают определенные и идентичные локусы гомологичных хромосом.
3. В хромосоме гены располагаются в определенной последовательности по ее длине в линейном порядке.
4. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, благодаря чему имеет место сцепленное наследование некоторых признаков; сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами.
5. каждый биологический вид характеризуется специфичным набором хромосом кариотипом.

3.2. Механизм сцепления.

 

Гены, локализованные в  одной хромосоме, называют группой  сцепления. Число групп сцепления  соответствует гаплоидному набору хромосом.

Если две сцепленные пары генов находятся в одной  гомологичной паре хромосом, то генотип запишется .

Проведем скрещивание двух организмов различающихся по двум парам признаков, например

Р          х           

F₁             

Скрещивая гибриды 1-го поколения, получим

            х         

F₁

               1 :2 :1 .

Гены, находящиеся в  одной паре гомологичных хромосом, наследуются вместе и не расходятся в потомстве, так как при гаметогенезе они обязательно попадают в одну гамету. Совместное наследование генов, ограничивающее свободное их комбинирование называют сцеплением генов. Для наследования сцепленных генов, находящихся в половых хромосомах, имеет значение направление скрещивания.

Нужно иметь ввиду, что  кроме истинного сцепления, могут  встречаться явления, внешне сходные  со сцеплением, нот отличные от него по природе: это так называемое ложное, межхромосомное сцепление, возникающее из-за нарушения свободного комбинирования негомологичных хромосом в мейозе. Такие случаи наблюдались в скрещиваниях линий лабораторных мышей и дрожжей. Предполагается, что такое сцепление между генами разных хромосом обязано тенденции последних к неслучайному расхождению в мейозе. Сцепленное наследование генов негомологичных хромосом обнаруживается также при межвидовых скрещиваниях в тех случаях, когда родительская комбинация хромосом оказывается физиологически совместимой. Ложное сцепление следует отличать от истинного сцепления генов, находящихся в одной хромосоме - в одной группе сцепления.

3.3. Кроссинговер.

 

Если гены находятся  в одной хромосоме и всегда передаются вместе говорят о полном сцеплении. Чаще встречается неполное сцепление. Нарушения сцепления объясняется кроссинговером, который является обменом удентичных участков гомологичных хромосом, в которых расположены аллельные гены. Запись означает, что в одной аутосоме находится доминантный ген 1-ой пары альтернативных признаков и рецессивный ген 2-ой. А в другой аутосоме наоборот. В половых хромосомах y-хромосома не несет этих генов. Кроме сцепления генов, здесь идет сцепление с полом.

Кроссовер - гамета, которая  претерпела процесс кроссинговера. Частота вступления генов в кроссинговер прямо пропорциональна расстоянию между ними, поэтому число гамет с новыми комбинированными формами будет зависеть от расстояния между генами. Расстояние вычисляется в морганидах, но если речь идет о кроссинговере, то расстояние вычисляется в %

.

Одной морганиде соответствует 1% образования гамет, в которых  гомологичные хромосомы обмениваются своими участками. 50М - максимальное расстояние между генами, на котором возможен кроссинговер. Если гены расположены друг от друга на расстоянии, большем 50М, то наблюдается явление независимого наследования. На основании частот кроссинговера строится карта группы сцепления.

Кроссинговер может  происходить не только во время мейоза, но и митоза, тогда его называют митотическим кроссинговером. Частота митотического кроссинговера значительно ниже мейотического. Тем не менее ег также можно использовать для генетического картирования.

Мейотический кроссинговер осуществляется после того, как гомологичные хромосомы в зиготенной стадии профазы I соединяются в пары, образуя биваленты. В профазе I каждая хромосома преджставлена двумя сестринскими хроматидами, и перекрест происходит между хроматидами.

Приняв положения, что 1) генов в  хромосоме может быть много, 2) гены расположены в хромосоме в линейном порядке, 3) каждая аллельная пара занимает определенные и идентичные локусы в гомологичных хромосомах, Т. Морган допустил, что перекрест между хроматидами гомологичных хромосом может происходить одновременно в нескольких точках кроссинговер, происходящий лишь в одном месте, называют одиночным кроссинговером, в двух точках одновременно - двойным, в трех - тройным и т.д., т.е. кроссинговер может быть множественным.

Пусть, например, в гомологичной паре хромосом содержатся три пары аллелей в гетерозиготном состоянии

Тогда перекрест, произошедший только в участке между генами А и В или между В и С, будет одинарным. В результате одинарного перекреста возникают в каждом случае только две кроссоверные хромосомы

aBC и Abc или Abc и aBC.

Каждый двойной кроссинговер возникает благодаря двум независимым  одинарным разрывам в двух точках. Таким образом, двойные кроссинговеры  сокращают регистрируемое расстояние между генами.

Вместе с тем между  обменами на соседних участках хромосом существует взаимовлияние, названное интерференцией. Такое взаимовлияние можно выразить количественно. Для этого составляют реально наблюдаемую частоту двойных кроссинговеров с частотой, теоретически ожидаемой на основе предположения о  том, что обмены на соседних участках происходят независимо друг от друга. Степень и характер интерференции измеряется величиной коинциденции (С). Коинциденцию оценивают как частное от деления реально наблюдаемой частоты двойных кроссоверов на теоретически ожидаемую частоту двойных кроссоверов. Последнюю величину получают, перемножая частоты кроссинговера на соседних участках.

Величину интерференции (I) определяют по формуле I=1-C. Если С<1, то интерференция положительная, т.е. одинаковый обмен препятствует обмену на соседнем участке хромосомы. Если С>1, то интерференция отрицательная, т.е. один обмен как бы стимулирует дополнительные обмены на соседних участках. В действительности существует только положительная интерференция при реципрокной рекомбинации - кроссинговере, а кажущееся неслучайным совпадение двух и более обменов, характерное для очень коротких расстояний - результат нереципрокных событий при рекомбинации.

Таким образом, при карплеровании  генов в группах сцепления  на основе изучения частот рекомбинации необходимо учитывать две противоположные тенденции. Двойные обмены “сокращают” расстояния между генами, и интерференция препятствует множественным обменам, вероятность которых увеличивается с расстоянием.

В обобщенном виде зависимость частоты рекомбинации от реального расстояния с учетом множественных обменов описывает функция Дж. Холдэйна.

где rf - картирующая функция (в нашем случае - это частота учитываемых кроссинговеров), d - реальное расстояние, на котором происходят обмены, e - основание натурального логарифма.

При изучении множественных  обменов и интерференции между  ними используют тетрадный анализ. Для этого рассматривают тригибридное скрещивание (ABC x abc) по сцепленным генам. Учитывая, что кроссинговер происходит на стадии 4-х хроматид, возможны три типа двойных обменов. Это двойные двухроматидные обмены, двойные треххроматидные обмены и двойные четыреххроматидные обмены только между несестринскими хроматидами, последствия которых генетически различимы (рис. 4).

 

3.4. Группы сцепления  и карты хромосом у человека.

 

                       9

1. Lu                                  Se

    R                   El 

2.

 

                     10

   N                                     I

3.

Рис. 7. Генетические карты аутосом человека.

У человека 23 пары хромосом. Это указывает на наличие у  него 23 групп сцеплений, для каждой из которых надо построить линейные карты взаиморасположения генов. Хорошо установлены группы сцепления, касающиеся трех пар аутосом. Одна группа сцепления несет в себе локус 1, где локализованы аллели групп АВО и локус, содержащий дефекты локтей и коленной чашечки (N). Расстояние между этими генами равно 10% кроссинговера. Вторая группа сцепления в аутосоме содержит локус Rh, где локализованы аллели резус-фактора, и локус эллиптоцитоза (El) доминантной мутации, вызывающей овальную форму эритроцитов. Расстояние между этими локусами равно 3%. Третья аутосома имеет в себе локусы группы крови Лютеран (Lu) и локус секреции (Se). Группы крове Лютеран содержат систему из двух аллелей Lu^a и Lu^b. Аллели - секреторы (se) обуславливают выделение в разных тканях организма, и, в частности в слюне, растворимых в воде антигенов АВО. Люди с рецессивными аллелями этого локуса (H) не выделяют водорастворимых антигенов. Действие аллеля касается групп крови с антигеном АВО и антигеном групп крови Лютеран. Расстояние между локусами Lu и Se равно 9%.