Закономерности наследования
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Ноября 2012 в 19:24, лекция
Краткое описание
Основные закономерности наследования были открыты Г. Менделем и сформулированы им в 1865 г в работе "Опыты над растительными гибридами".
Вложенные файлы: 1 файл
Лекция 7. Тема: ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ
1. Основные закономерности наследования были открыты Г. Менде-
лем и сформулированы им в 1865 г в работе "Опыты над растительными гиб-
ридами". Эти законы были переоткрыты в 1900 г. Г. де Фризом, К. Коррен-
сом и Э. Чермаком. В дальнейшем были описаны явления сцепления генов
(Т. Морган и сотр., 1911), различные виды их взаимодействия, оказывающие
существенное влияние на процесс реализации наследственной информации.
В настоящее время выделяют следующие типы наследования признаков:
Наследование
моногенное
полигенное
аутосомное
гоносомное
доминантное рецессивное Х-сцепленное (сцепленное с
полом)
Y-сцепленное
(голандрическое)
доминантное
рецессивное
Рис. 39. Типы наследования признаков.
1.1. Законы Менделя и условия их проявления. Мендель открыл
закономерности наследования, проводя гибридизацию различных сортов го-
роха. Гибридизация - это скрещивание особей с различными генотипами.
Скрещивание, при котором у родительских особей учитывается одна пара
альтернативных признаков, называется моногибридным, две пары призна-
ков - дигибридным, более двух пар - полигибридным.
1.2. Гибридологический метод Г. Менделя имеет следующие осо-
бенности:
1) анализ начинается со скрещивания гомозиготных особей ("чистые
линии");
2) анализируются отдельные альтернативные (взаимоисключающие)
признаки;
3) проводится точный количественный учет потомков с различной
комбинацией признаков (используются математические методы),
4) наследование анализируемых признаков прослеживается в ряду по-
колений.
47
1.3. Первый закон Менделя - закон единообразия гибридов первого
поколения. Г. Мендель скрещивал чистые линии растений гороха с желтыми
и зелеными семенами (альтернативные признаки). Чистые линии - это орга-
низмы, не дающие расщепления при скрещивании с такими же по генотипу,
т.е. они являются гомозиготными по данному признаку.
При анализе результатов скрещивания
оказалось, что все потомки (гибриды) в первом
поколении одинаковы по фенотипу (все растения
имели горошины желтого цвета) и по генотипу
(гетерозиготы). Первый закон Менделя формули-
руется следующим образом: при скрещивании
гомозиготных особей, анализируемых по одной паре альтернативных
признаков, наблюдается единообразие гибридов первого поколения как по
фенотипу, так и по генотипу.
Р: АА х аа
G:
F
1
: Аа
a
A
1.4. Второй закон Менделя - закон расщепления. При скрещивании
гибридов первого поколения между собой (т.е. гетерозиготных особей) полу-
чается следующий результат:
Особи, содержащие доминантный ген
А, имеют желтую окраску семян, а содержа-
щие оба рецессивных - зеленую. Следователь-
но, отношение особей по фенотипу (окраске
семян) - 3:1 (3 части с доминантным призна-
ком и 1 часть - с рецессивным). По генотипу: 1
часть особей - желтые гомозиготы (АА), 2 части - желтые гетерозиготы (Аа)
и 1 часть - зеленые гомозиготы (аа). Второй закон Менделя формулируется
следующим образом: при скрещивании гибридов первого поколения (гете-
розиготных организмов), анализируемых по одной паре альтернативных
признаков, наблюдается расщепление в соотношении 3:1 по фенотипу и
1:2:1 по генотипу.
Р
(F
1
)
: Аa х
Aа
G:
F
2
: AA, Aa, Аа, aa
А
A
a
a
1.5. Изучив наследование одной пары аллелей, Мендель решил про-
следить наследование двух признаков одновременно. Для этой цели он ис-
пользовал гомозиготные растения гороха, отличающиеся по двум парам аль-
тернативных признаков: семена желтые гладкие и зеленые морщинистые. В
результате такого скрещивания в первом поколении он получил растения с
48
желтыми гладкими семенами. Этот результат показал, что закон единообра-
зия гибридов первого поколения проявляется не только при моногибридном,
но и при полигибридном скрещивании, если родительские формы гомозиготны.
Затем он скрестил гибриды первого
поколения между собой. Для анализа ре-
зультатов полигибридного скрещивания
обычно используют решетку Пеннета. В ре-
зультате свободного комбинирования гамет
в зиготы попадают гены в разных комби-
нациях. Легко подсчитать, что по фенотипу потомство делится на 4 группы:
9 частей растений с горошинами желтыми гладкими (А-В-), 3 части - с жел-
тыми морщинистыми (А-вв), 3 части - с зелеными гладкими (ааВ-), 1 часть -
с зелеными морщинистыми (аавв), т.е. расщепление 9:3:3:1, или (3+1)
2
. От-
сюда можно сделать вывод, что при скрещивании гетерозиготных особей, от-
личающихся по нескольким парам альтернативных признаков, в потомстве
наблюдается расщепление по фенотипу в соотношении (3+1)
n
, где n - число
признаков в гетерозиготном состоянии.
Р: ААВВ х aabb
G:
F
1
:
АаВb
аb
AВ
Если проанализировать
расщепление по каждой из пар
альтернативных
признаков
(желтый и зеленый цвет, глад-
кая и морщинистая поверх-
ность), то получится: 9 + 3 жел-
тых и 3 + 1 зеленых, соотноше-
ние 12:4 или 3:1. Следователь-
но, при дигибридном скрещива-
нии каждая пара признаков в потомстве дает расщепление независимо от
другой пары. Это является результатом случайного комбинирования генов (и
соответствующих им признаков), что приводит к новым сочетаниям, которых
не было у родительских форм. В нашем примере исходные формы гороха
имели семена желтые гладкие и зеленые морщинистые, а во втором поколе-
нии получено не только такое сочетание признаков, как у родителей, но и
растения с желтыми морщинистыми и зелеными гладкими семенами. Отсюда
вытекает третий закон Менделя - закон независимого комбинирования при-
Р
(F
1
)
: АaВb х AaВb
AB
Ab
aB
ab
AB
AABB
AABb
AaBB
AaBb
Ab
AABb
AAbb
AaBb
Aabb
aB
AaBB
AaBb
aaBB
aaBb
ab
AaBb
Aabb
aaBb
aabb
49
50
знаков: при скрещивании гомозиготных организмов, анализируемых по
двум (или более) парам альтернативных признаков, во втором поколении
наблюдается независимое комбинирование признаков и соответствую-
щих им генов разных аллельных пар. Это обусловлено генным уровнем ор-
ганизации наследственного материала.
Для объяснения результатов скрещивания, проведенного Г. Менделем,
У. Бэтсон (1902 г.) предложил гипотезу "чистоты гамет". Ее можно свести к
следующим двум основным положениям: 1) у гибридного организма гены не
гибридизируются (не смешиваются), а находятся в чистом аллельном состоянии
и 2) вследствие расхождения гомологичных хромосом и хроматид при мейозе
из каждой пары аллелей в гамету попадает только один ген.
1.6. Законы Менделя носят статистический характер (выполняются
на большом количестве особей) и являются универсальными, т.е. при поло-
вом размножении они присущи всем живым организмам. Для проявления за-
конов Менделя необходимо соблюдение ряда условий:
1) гены разных аллельных пар должны находиться в разных хромосомах;
2) между генами не должно быть сцепления и взаимодействия (кроме
полного доминирования);
3) должна быть равная вероятность образования гамет и зигот разного
типа и равная вероятность выживания организмов с разными генотипами (не
должно быть летальных генов);
4) должна быть 100% пенетрантность гена, отсутствовать плейотроп-
ное действие и мутации гена.
Отклонения от ожидаемого расщепления по законам Менделя вызы-
вают летальные гены. У человека так наследуется доминантный ген брахи-
дактилии (короткие толстые пальцы). У гетерозигот наблюдается брахидак-
тилия, а гомозиготы по этому гену погибают на ранних стадиях эмбриогене-
за. У человека имеется ген нормального гемоглобина (HbA) и ген серповид-
но-клеточной анемии (НbS). Гетерозиготы по этим генам жизнеспособны, а
гомозиготы по HbS погибают в раннем детском возрасте (гемоглобин S не
способен связывать и переносить кислород).
2. Взаимодействие генов. Отклонение от законов Менделя вызывают и
различные виды взаимодействия генов (за исключением полного доминирования).
Различают взаимодействие аллельных и неаллельных генов.
2.1. Взаимодействие аллельных генов. Взаимодействие аллельных
генов называется внутриаллельным. Выделяют следующие его виды: пол-
ное доминирование, неполное доминирование, сверхдоминирование, кодо-
минирование и аллельное исключение.
2.1.1. При полном доминировании один ген полностью подавляет
проявление другого гена (выполняются законы Менделя), при этом гомози-
готы по доминантному признаку и гетерозиготы фенотипически неотличимы.
Например, ген желтого цвета семян гороха полностью подавляет ген зеленой
окраски, ген карего цвета глаз у человека подавляет ген голубой их окраски.
2.1.2. При неполном доминировании (промежуточном наследова-
нии) доминантный ген не полностью подавляет действие рецессивного гена.
У гибридов первого поколения наблюдается промежуточное наследование, а
во втором поколении - расщепление по фенотипу и генотипу одинаково 1:2:1
(проявляется доза действия генов). Например, если скрестить растения души-
стого горошка с красными и белыми цветами первое поколение будет иметь
розовые цветки.
Генетическая запись:
ген
признак
А
Красный цвет
а
Белый цвет
А и а
Розовый цвет
Р.
Аа х Аа
G.
А
а
А
а
F
1
.
АА; Аа; Аа; аа - 1 : 2 : 1 по фенотипу и генотипу.
2.1.3. При сверхдоминировании доминантный ген в гетерозиготном
состоянии проявляет себя сильнее, чем в гомозиготном. У мухи дрозофилы
имеется рецессивный летальный ген (а) - гомозиготы (аа) погибают. Мухи,
гомозиготные по гену А (АА) имеют нормальную жизнеспособность, а гете-
розиготы (Аа) - живут дольше и более плодовиты, чем доминантные гомози-
готы. Объяснить это можно взаимодействием продуктов генной активности.
2.1.4. При кодоминировании гены одной аллельной пары равнознач-
ны, ни один из них не подавляет действия другого; если они оба находятся в
генотипе, оба проявляют свое действие. Типичным примером кодоминирова-
51
52
ния является наследование групп крови человека по АВО- (группа АВ) и
MN- (группа MN) системам. Одновременное присутствие в генотипе генов J
А
и J
В
обусловливает наличие в эритроцитах антигенов А и В (IV группа кро-
ви). Гены J
А
и J
В
не подавляют друг друга - они являются равноценными, ко-
доминантными.
2.1.5. При аллельном исключении в одних клетках у особи с
генотипом Аа активен ген А, а в другой части клеток активен ген а. Напри-
мер, у человека и млекопитающих каждая плазматическая клетка, гетерози-
готная по гену А синтезирует только одну (свою) цепь иммуноглобулинов
(антител), определяемую либо геном А, либо геном а.
2.1.6. Своеобразные внутриаллельные взаимодействия наблюдаются в
случаях множественных аллелей. Множественными называются аллели,
которые представлены в популяции более чем двумя аллельными состояния-
ми. Они возникают в результате многократного мутирования одного и того
же локуса хромосомы. В этих случаях помимо доминантного и рецессивного
генов появляются еще и промежуточные аллели, которые по отношению к
доминантному ведут себя как рецессивные, а по отношению к рецессивному,
как доминантные. Например, три гена J
0
, J
А
и J
В
детерминируют наследова-
ние четырех групп крови человека по АВ0 системе антигенов.
2.2. Взаимодействие неаллельных генов. Взаимодействие неаллель-
ных генов называется межаллельным. Различают следующие его виды:
комплементарность, эпистаз, полимерию и «эффект положения».
2.2.1. При комплементарности присутствие в одном генотипе двух
доминантных (рецессивных) генов из разных аллельных пар приводит к по-
явлению нового варианта признака.
Типичный пример - развитие слуха у человека. Для нормального слу-
ха в генотипе человека должны присутствовать доминантные гены из разных
аллельных пар - D и E. Ген D отвечает за нормальное развитие улитки, а ген
E - за развитие слухового нерва. У рецессивных гомозигот (dd) будет недо-
развита улитка, а при генотипе ее - недоразвит слуховой нерв. Люди с гено-
типами D-ee, ddE- и ddee будут глухими.
2.2.2. При эпистазе доминантный (рецессивный) ген из одной аллель-
ной пары подавляет действие доминантного (рецессивного) гена из другой
аллельной пары. Это явление противоположно комплементарности. Подав-
53
ляющий ген называется супрессором (ингибитором). У кур доминантный ген
С детерминирует синтез пигмента, а доминантная аллель другого гена I явля-
ется его супрессором, и куры с генотипом С-I- имеют белое оперение.
У человека описан "бомбейский феномен" в наследовании групп кро-
ви по АВО системе. У женщины, получившей от матери аллель J
В
, феноти-
пически определялась I(0) группа крови. При детальном исследовании было
установлено, что действие гена J
В
(синтез в эритроцитах антигена В) было
подавлено редким рецессивным геном, который в гомозиготном состоянии
оказал эпистатическое действие.
2.2.3. При полимерии доминантные гены из разных аллельных пар
влияют на степень проявления одного и того же признака. Полимерные гены
принято обозначать одной буквой латинского алфавита с цифровыми индек-
сами, например, А
1
А
1
А
2
А
2
а
3
а
3
и т.д. Признаки, детерминируемые поли-
мерными генами, называются полигенными. Таким образом наследуются
многие количественные и некоторые качественные признаки у животных и
человека: рост, масса тела, величина артериального давления, цвет кожи и др.
Степень проявления этих признаков зависит от количества доминантных ге-
нов в генотипе (чем их больше, тем сильнее выражен признак) и в значитель-
ной мере от влияния условий среды. У человека может наблюдаться пред-
расположенность к различным заболеваниям: гипертонической болезни,
ожирению, сахарному диабету, шизофрении и др. Данные признаки при бла-
гоприятных условиях среды могут и не проявиться или быть слабо выражен-
ными. Это отличает полигенно наследуемые признаки от моногенных. Изме-
няя условия среды и проводя профилактические мероприятия можно значи-
тельно снизить частоту и степень выраженности некоторых мультифактори-
альных заболеваний. Суммирование "доз" полимерных генов (аддитивное
действие) и влияние среды обеспечивает существование непрерывных рядов
количественных изменений. Минимальное количество полимерных генов,
при котором проявляется признак, называется пороговым эффектом.
2.2.4. «Эффект положения генов» - это взаимодействие неаллельных
генов одной хромосомы, когда разное расположение генов меняет их
функциональную активность. Белок Rh-фактора состоит из белка D, белка C,
белка E, определяемых тремя генами, расположенными в одной хромосоме.
Организмы с набором генов CDE/cDe и CDe/cDE генетически идентичны
(общий баланс генов одинаковый). Однако, у лиц с первой комбинацией ге-
нов образуется много антигена Е и мало антигена С, а у лиц со второй ком-
бинацией аллелей - мало антигена Е и много - С. Вероятно, близкое соседст-
во аллеля Е с аллелем С (первый случай) снижает его функциональную ак-
тивность.
3. Сцепленное наследование. У. Сэттон и Р. Пеннет в 1908 г. обна-
ружили отклонения от свободного комбинирования признаков согласно
третьему закону Менделя. В 1911-12 г.г. Т. Морган и сотр. описали явление
сцепления генов - совместную передачу группы генов из поколения в поко-
ление. Опыты проводились на мухах дрозофилах с учетом двух пар альтер-
нативных признаков - серый и черный цвет тела, нормальные и короткие
крылья. При скрещивании гомозиготных особей с серым телом и нормаль-
ными крыльями с особями с черным телом и короткими крыльями получено
единообразие гибридов первого поколения, особи которого имели доминант-
ные признаки:
Ген
Фен
B
b
V
v
Серое тело
Черное тело
Нормальные крылья
Короткие крылья
Для выяснения генотипа гибридов I поколения Морган провел анализирую-
щее скрещивание. Он взял рецессивную гомозиготную самку и скрестил ее с
дигетерозиготным самцом, затем провел реципрокное скрещивание:
Р: ВВVV х bbvv
G:
F
1
: BbVv
bv
BV
(II)
Р: BbVv х bbvv
G:
F
1
: BbVv Bbvv bbVv bbvv
41,5% 8,5% 8,5% 41,5%
BV
bv
Bv
bV bv
(I)
Р: bbvv х BbVv
G:
F
1
: BbVv bbvv
50% 50%
BV
bv
bv
При свободном комбинировании генов согласно третьего закона Мен-
деля в поколении должны были появиться мухи четырех разных фенотипов
по 25%. Это можно пояснить следующей схемой:
54
P:
G:
B
b
v
V
B
V
B
v
b
V
b
v
25%
25%
25%
25%
Рис. 40 Схема свободного комбинирования генов. (Объяснение в
тексте).
Но гены разных аллельных пар могут находиться в одной паре гомо-
логичных хромосом.
Одна из пары гомологичных хромосом содержит 2 доминантных гена
(BV), а другая - 2 рецессивных (bv). В процессе мейоза одна хромосома с ге-
нами BV попадет в одну гамету, а другая (с генами bv) - в другую. Таким об-
разом, у дигетерозиготного организма образуется не четыре, а только два ти-
па гамет и потомки будут иметь такое же сочетание признаков, как и роди-
тели. В данном случае сцепление будет полным.
При изучении результатов второго скре-
щивания (II) было обнаружено нарушение полного
сцепления генов. Если взять дигетерозиготную
самку мухи дрозофилы и скрестить ее с рецессив-
ным самцом, то получается 4 разновидности фе-
нотипов потомков: 41,5% с серым телом и длин-
ными крыльями, 41,5% с черным телом и корот-
кими крыльями и по 8,5% гибридных форм - с се-
рым телом и короткими крыльями и с черным те-
лом и длинными крыльями. В этом случае сцепле-
ние оказывается неполным, т. е. происходит пере-
комбинация генов, локализованных в одной хромосоме.
B
V
V
B
v
b
v
b
Рис. 41. Схема образова-
ния гамет при полном
сцеплении.
В
b
V
v
В
В
В
В
В
b
b
b
b
b
V
V
V
V
V
v
v
v
v
v
P.
G.
Рис. 42. Схема кроссинговера.
55
56
Это объясняется кроссинговером - обменом участками гомологичных
хромосом в процессе их конъюгации в профазе мейоза I. Каждая из образо-
вавшихся хроматид попадает в отдельную гамету. Образуется четыре типа
гамет, но в отличие от свободного комбинирования их процентное соотно-
шение не будет равным, так как кроссинговер происходит не всегда. Сила
сцепления между генами (частота кроссинговера) зависит от расстояния ме-
жду ними: чем больше расстояние, тем меньше силы сцепления, тем чаще
может происходить кроссинговер. Расстояние между генами определяется по
проценту кроссинговера. За единицу расстояния принимается одна моргани-
да (в честь Моргана), которая равна 1% кроссинговера.
Гаметы, в которые попали хроматиды не претерпевшие кроссинговер,
называются некроссоверными, их обычно больше. Гаметы, в которые попа-
ли хроматиды претерпевшие кроссинговер, называются кроссоверными, их
обычно меньше.
Гены, локализованные в одной хромосоме, передаются вместе (сцеп-
ленно) и составляют одну группу сцепления. Так как в гомологичных хромо-
сомах локализованы аллельные гены, то группу сцепления составляют две го-
мологичные хромосомы и количество групп сцепления равно количеству пар
хромосом (или гаплоидному числу хромосом). Так, у мухи дрозофилы 8 хро-
мосом - 4 группы сцепления, у человека 46 хромосом - 23 группы сцепления.
3.1. Основные положения хромосомной теории наследственности
(Т. Морган и соавт., 1911г.) сводятся к следующему.
1. Гены расположены в хромосомах в линейном порядке в определен-
ных локусах. Аллельные гены занимают одинаковые локусы гомологичных
хромосом.
2. Гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцеп-
ления и наследуются преимущественно вместе; число групп сцепления равно
гаплоидному набору хромосом.
3. Между гомологичными хромосомами возможен обмен участками –
кроссинговер, который нарушает сцепление генов.
4. Процент кроссинговера пропорционален расстоянию между генами.
1 морганида - единица расстояния, равная 1% кроссинговера.
3.2. Зная расстояние между генами можно построить карту хромосомы.
Генетическая карта хромо-
сомы представляет собой отрезок
прямой, на котором обозначен поря-
док расположения генов и указано
расстояние между ними в моргани-
дах. Она строится по результатам
анализирующего скрещивания.
Цитологическая карта хро-
мосомы представляет собой фото-
графию или точный рисунок хромо-
сомы, на котором отмечается после-
довательность расположения генов. Ее строят на основе сопоставления ре-
зультатов анализирующего скрещивания и хромосомных перестроек. Напри-
мер, если хромосома с доминантными генами будет последовательно терять
отдельные локусы (при воздействии на нее мутагенов), то в гетерозиготе
начнут проявляться рецессивные признаки, порядок появления признаков
будет указывать на последовательность расположения генов. Цитологиче-
ские карты создаются путем определения локализации генов в хромосомах.
А
А
D
С
В
5
2
3
B
А
D
С
В
Рис. 43. Схема генетической (А) и ци-
тологической (В) карт хромосом.
Картирование хромосом человека связано с определенными трудно-
стями и производится с использованием методов гибридизации соматических
клеток и ДНК.
В настоящее время завершен I этап международной программы "Ге-
ном человека". Авторы проекта опубликовали следующие данные об осо-
бенностях генома человека.
1. Гены располагаются в хромосомах достаточно скученно, предпочи-
тая собираться в группы, между которыми могут находиться обширные неза-
нятые области (пустыни). В разных хромосомах находится различное коли-
чество генов (максимум их в 19-ой хромосоме).
2. Общее количество генов в геноме человека – около 30 000.
3. На один человеческий ген приходится больше разновидностей белка,
чем у других организмов. В то время как у других видов число различных бел-
ков приблизительно равно числу генов, то у человека на 1 ген приходится око-
ло трех разновидностей белка.
57
58
4. Белки организма человека более сложны, чем белки других орга-
низмов.
5. Более 200 генов напрямую унаследованы нами от бактерий.
6. Повторяющиеся последовательности ДНК, которые ранее счита-
лись бесполезными, могут оказаться «черным ящиком» эволюции и поведать
нам о предыдущих 800 млн. лет развития органического мира.
7. Средняя длина повторяющихся последовательностей – 200-300 пар
нуклеотидов.
8. Уровень мутаций у мужчин в 2 раза больше, чем у женщин и своим
прогрессом человечество обязано мужчинам.
9. Все представители Homo sapiens на 99,9% идентичны по ДНК.
10. Дальнейшее картирование хромосом человека будет иметь прак-
тическое значение: станет возможным с помощью методов генной инжене-
рии проводить профилактику и лечение многих наследственных болезней.
Информация о работе Закономерности наследования