ГЛАВА 2 (З-ны Менделя. Взаимод.генов) - теория

Глава 2. Общая генетика.

Тема 2. Основные закономерности наследования. Наследование признаков при моногибридном и дигибридном скрещивании. Взаимодействие аллельных и неаллельных генов. Множественный аллелизм. Репарабельные повреждения ДНК

Теоретический обзор

1. Основные понятия генетики.

Генетика – наука о наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими.

Наследственность – это свойство организма сохранять и передавать из поколения в поколение особенности своего строения, функций и развития.

Наследование – это способ передачи наследственной информации от одного поколения к другому. Оно может отличаться в зависимости:

−от форм размножения: вегетативное (связанное с соматическими клетками) и генеративное (связанное с половыми клетками);

−от расположения генов в хромосомах (аутосомное и сцепленное с полом);

−от проявления (доминантное и рецессивное);

−от расположения в клетке (ядерное и цитоплазматическое).

Изменчивость – это способность организмов приобретать новые признаки под действием внешних и внутренних факторов.

Единицей наследственности является ген. Ген – фрагмент молекулы ДНК (иногда РНК), в котором закодирована информация о первичной структуре одной полипептидной цепи, рРНК или тРНК. Формой существования гена, контролирующего развитие одного признака, является аллель. Гены располагаются в хромосомах линейно, по всей длине и занимают определенное место в хромосоме – локус.

Совокупность всех генов организма или диплоидной клетки называется генотипом. В то время как геном – это совокупность генов гаплоидного набора хромосом прокариот, а также половых клеток эукариот.

Аллельные гены – это гены, которые располагаются в одинаковых локусах гомологичных хромосом. Поскольку в одном и том же локусе определенной хромосомы может располагаться только один из аллельных генов, следовательно, в диплоидном организме может содержаться не более двух аллелей одного гена. В половых клетках содержится только одна из каждой пары гомологичных хромосом, и, следовательно, только один аллель гена. Это связано с тем, что во время анафазы первого мейотического деления гомологичные хромосомы расходятся к разным полюсам деления клетки и попадают в разные гаметы. После оплодотворения диплоидный набор хромосом восстанавливается, и, аллельные гены опять представлены парой.

Аллельные гены по проявлению бывают доминантными и рецессивными. Доминантный аллель гена – аллель, выраженный в фенотипе независимо от присутствия в генотипе другого аллеля этого гена. Рецессивный аллель гена – аллель, который проявляется в фенотипе только в гомозиготном состоянии (аа).

Если в генотипе организма находятся два одинаковых аллельных гена, например, АА или аа, такой организм называется гомозиготным. Такой организм формирует гаметы только одного сорта (организм АА – гамету с аллелем А, а организм аа – гамету с аллелем а). Если же в генотипе содержатся разные аллели, например, Аа – такой организм называется гетерозиготным, и формирует два типа гамет А и а.

Признаком называют морфологическую, физиологическую, биохимическую или любую другую индивидуальную особенность организма, благодаря которой организмы

1

отличаются друг от друга. У конкретного организма признаки проявляются в форме тех или иных вариантов. Варианты признаков, за которые отвечают аллели одного гена, называются альтернативными (взаимоисключающими) признаками.

Совокупность всех признаков и свойств организма, которые формируются в процессе взаимодействия его генотипа и среды, называют фенотипом.

1.Основные закономерности наследственности.

1.1. Гибридологический метод изучения наследственности.

Сущность гибридологического метода, разработанного Г. Менделем, заключается в:

-скрещивании организмов, различающихся между собой вариантами одного или нескольких наследственных признаков,

-учете соотношений фенотипических и генотипических разновидностей потомков. Скрещивание двух организмов называют гибридизацией, а их потомков – гибридами.

Основными принципами гибридологического метода являются:

1)в качестве исходных родительских форм должны быть использованы гомозиготные по анализируемым признакам организмы (чистые линии);

2)при скрещивании нужно учитывать не все многообразие признаков, а один или нескольких пар альтернативных признаков;

3)должен производиться индивидуальный анализ потомства от каждой особи;

4)количественный учет признаков у всех особей.

Благодаря количественному учету проявлений признаков у всех особей, Г.Менделю удалось установить закономерности наследования признаков в ряду поколений, и сформулировать их в виде правил наследования.

1.2.Законы Г. Менделя и их цитологические основы.

При моногибридном скрещивании родительские особи анализируются по одной паре альтернативных признаков.

Рассмотрим методику моногибридного скрещивания на примере опыта Г.Менделя по изучению наследования желтой и зеленой окраски семян гороха.

Первый закон Г.Менделя или правило единообразия гибридов первого поколения гласит: «При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по одной паре альтернативных признаков, все потомки в F1 имеют единый фенотип и генотип».

Так, при скрещивании чистых линий гороха с желтыми и зелеными семенами, в F1 все гибриды имели желтую окраску семян.

Буквой Р (лат. parentes – родитель) обозначаются родительские формы; F1 (лат. fillius

– поколение) – потомки первого поколения; F2 – второго поколения и т. д. Скрещивание обозначается знаком х; генетическую формулу женской особи записывают первой, ставя

перед ней знак (зеркало − символ Венеры), перед формулой отцовской особи

помещают знак (щит и копье − символ Марса). В первой строке выписывают генотипические формулы родителей, под которыми подписывают их фенотипы, во второй - типы, образуемых ими гамет, в третьей - генотипы первого поколения с указанием их фенотипов.

Доминантный аллель, по предложению Г. Менделя, обозначают прописной латинской буквой, а рецессивный - строчной буквой. Поскольку соматическая клетка содержит диплоидный набор хромосом, генотип особей чистой линии гороха с желтыми семенами (доминирующий признак) обозначают двумя буквами АА, а с зелеными семенами - двумя строчными буквами — аа. Во время мейоза в гамету попадает лишь одна из каждой пары гомологичных хромосом. Поэтому геном гамет содержит лишь один аллель данного гена

2

— А или а. При оплодотворении происходит слияние половых клеток и возникают гетерозиготные диплоидные особи Аа, образующие семена с доминирующей желтой окраской (рис.1.)

Рис.1. Моногибридное скрещивание. Единообразие гибридов первого поколения.

В дальнейшем, при скрещивании гибридов первого поколения в поколении F2 наблюдается появление организмов с исходными родительскими признаками (рис.2.).

Рис.2. Моногибридное скрещивание. Расщепление признаков.

Появление в потомстве гибридов первого поколения особей с разным генотипом и фенотипом получило название расщепления.

Особи, имеющие одинаковый фенотип, образуют фенотипический класс, а особи с одинаковым генотипом – генотипический класс. Различают расщепление по генотипу и фенотипу. Таким образом, во втором поколении происходит расщепление на два фенотипических класса в соотношении 3А_ (желтые) : 1 аа (зеленые) и три генотипических класса 1 АА : 2 Аа : 1 аа.

Таким образом, общие формулы для определения количества классов при скрещивании гетерозиготных организмов, отличающихся по n признакам:

Количество классов генотипов: 3n Количество классов фенотипов: 2n

На основании изучения закономерностей расщепления гибридов первого поколения при моногибридном скрещивании, Г. Мендель сформулировал второй закон, или правило расщепления: при скрещивании между собой гибридов первого поколения, гетерозиготных по аллелям одного гена, каждый из них образует в равных количествах гаметы двух типов, и среди гибридов второго поколения появляются особи с генотипами и фенотипами родителей и гибридов первого поколения в строго определенных

соотношениях 1:2:1 − по генотипу и 3:1 − по фенотипу.

Явление расщепления объясняется с помощью одной из закономерностей генетики, которая получила название правила «чистоты гамет». Согласно этому правилу в

процессе образования половых клеток в каждую гамету попадает только один из пары аллелей данного гена.

3

При решении задач по генетике необходимо правильно определить и записать типы гамет, которые образуются при данном скрещивании. Чтобы посчитать, сколько типов гамет будет давать организм с заданным генотипом, нужно подсчитать и перемножить количество типов гамет по каждой паре генов. Например, организм с генотипом: АаBbCCDdEe всего будет давать 16 типов гамет.

При дигибридном скрещивании изучают наследование двух пар альтернативных наследственных признаков. При этом в потомстве появляются такие комбинации признаков, которые отсутствовали у родителей. Во втором поколении появились четыре фенотипические группы особей в соотношении 9:3:3:1, а число разных генотипов оказалось равным 9, с общим расщеплением среди особей второго поколения 1:2:1:2:4:2:1:2:1. Причем по каждой паре аллелей разных генов особи распределялись по фенотипу в соотношении 3:1, а по генотипу – 1:2:1.

Таким образом, Мендель установил, что при скрещивании дигетерозигот во втором поколении по каждой паре признаков происходит независимое от других пар расщепление (рис. 3).

4

Можно отметить, что эти результаты возможны в том случае, если эти гены будут

наследоваться независимо друг от друга. Используя формулу расщепления по фенотипу (из 2 закона Г.Менделя) получаем те же результаты:

(3A_: 1 aa) x (3B_: 1bb) = 9 A_B_ : 3 A_bb : 3 aaB_ : 1aabb

Используя формулу расщепления по генотипу (из 2 закона Г.Менделя) (1:2:1),

получаем:

(1AA : 2 Aa : 1aa) х (1BB : 2Bb : 1bb) =

= 1AABB : 2AABb : 1AAbb : 2AaBB : 4 AaBb : 2Aabb : 1aaBB : 2aaBb : 1aabb

генотипических

классов

Рис. 3. Независимое наследование признаков.

Независимое наследование признаков объясняется тем, что гены, отвечающие за развитие данных признаков, расположены в негомологичных парах хромосом. Цитологическое объяснение данного явления заключается в том, что при анафазе 1 мейотического деления гомологичные хромосомы каждой пары расходятся к разным полюсам деления клетки, независимо от других пар гомологичных хромосом, в результате чего аллели генов, расположенные в разных негомологичных парах хромосом, а, следовательно, и признаки, контролируемые ими, могут комбинироваться в различных сочетаниях.

Третий закон Г.Менделя, или правило независимого наследования гласит:

«Признаки передаются по наследству независимо друг от друга, комбинируясь во всевозможных сочетаниях, если аллели, определяющие их, располагаются в негомологичных хромосомах».

При полигибридном скрещивании в основе расщепления признаков лежат те же цитологические закономерности, что и при дигибридном скрещивании.

При этом, во втором поколении (при скрещивании гетерозиготных организмов, отличающихся по n признакам:

−количество фенотипических классов равно 2n

−количество генотипических классов равно 3n

−расщепление по фенотипу равно (3 : 1)n

−расщепление по генотипу равно (1 : 2 : 1)n

2.Виды скрещиваний в зависимости от направления скрещивания.

Реципрокное скрещивание − система из двух скрещиваний − прямого и обратного. При реципрокном скрещивании каждый из генотипически различных родительских типов А и В используется дважды — один раз в качестве материнской и

5

другой раз в качестве отцовской форм (♀А ´♂В и ♀В ´♂А). Например, первое: скрещивание материнской особи с доминантным вариантом признака и отцовской особи с рецессивным вариантом признака) называется прямым, а другое (скрещивание материнской особи с рецессивным вариантом признака и отцовской особи с доминантным вариантом признака) – обратным. Реципрокные скрещивания позволяют выявить роль ядра и цитоплазмы в наследовании признака, а также зависимость наследования признака от пола особи.

Возвратное скрещивание (бэк-кросс) при полном доминировании.

Возвратным скрещиванием называется скрещивание, при котором гибриды F1 скрещиваются с одной из родительских форм.

Возвратное скрещивание в частности используется при анализирующем скрещивании. Например, при скрещивании чистопородных коричневых и серых норок все гибриды первого поколения оказываются коричневыми. Если в следующем скрещивании этих гибридных коричневых норок скрещивать с серыми, то в их потомстве наблюдается расщепление – 1 часть коричневых : 1 часть серых. Это можно объяснить следующим образом: поскольку все F1 коричневые, то коричневый цвет – доминантный вариант признака (определяется аллелем А), а серый цвет – рецессивный (определяется аллелем а). Особи с рецессивным вариантом признака (серые) всегда гомозиготны (аа). Но особи с доминантным вариантом признака могут быть и гомозиготами (АА), и гетерозиготами (Аа). Очевидно, исходные коричневые норки были гомозиготны, поскольку все F1 единообразны. Но коричневые гибриды являются гетерозиготами. Составляем схему скрещивания (рис. 4):

Рис. 4. Анализирующее скрещивание.

Таким образом, анализирующее скрещивание заключается в скрещивании особи с доминантных фенотипом и неизвестным генотипом (А_) с особью рецессивной по данному признаку (аа). Такое скрещивание позволяет выявить генотип особи с доминантным генотипом. Если расщепление отсутствует, то доминантная форма гомозиготна (АА) – выполняется первый закон Менделя. Если же наблюдается расщепление 1:1, то доминантная форма гетерозиготна (Аа).

Насыщающее скрещивание является другим частным случаем возвратного скрещивания. Так, например, при скрещивании красных коров с черным быком. Все гибриды первого поколения черные. Гибридные особи вновь скрещиваются с тем же черным быком. В потомстве получаются только черные особи. Это можно объяснить следующим: поскольку все F1 черные, то черная окраска – доминантный вариант признака (определяется аллелем А), а красная – рецессивный (определяется аллелем а). Особи с рецессивным вариантом признака всегда гомозиготны (аа). Но особи с доминантным вариантом признака могут быть и гомозиготами (АА), и гетерозиготами (Аа). Очевидно, исходный бык гомозиготен, поскольку все F1 единообразны. Но черные гибриды являются гетерозиготами (рис. 5).

6

Рис. 5. Насыщающее скрещивание.

Таким образом, при скрещивании доминантных гомозигот (АА) с любыми формами (Аа или аа) расщепление по фенотипу отсутствует. Такие скрещивания используется для подавления рецессивных признаков, для выведения новых сортов и пород и насыщения их доминантными аллелями – поэтому их называют насыщающим. Методом насыщающих скрещиваний (беккроссов) создаются устойчивые к вредителям и болезням сорта ячменя, пшеницы, картофеля и других культур.

3. Генотип как система взаимодействующих генов.

Открытие Г. Менделем основных законов наследования оказалось возможным благодаря тому, что изучаемые им признаки гороха определялись двумя аллелями одного гена, один из которых полностью доминировал над другим. Однако, не следует думать, что генотип слагается из суммы генов, каждый из которых выполняет свою, не связанную с действием других генов функцию, а фенотип есть лишь механическая совокупность отдельных признаков. В действительности многие признаки формируются в процессе сложного взаимодействия не только аллелей одного гена, но и нескольких генов под влиянием условий внешней среды. Под термином «взаимодействие генов» следует понимать взаимодействие продуктов этих генов – полипептидов, белков-ферментов и д.п. В результате этого характер расщепления признаков в потомстве может существенно отличаться от установленных Г. Менделем.

3.1.Взаимодействие аллельных генов.

Существуют три типа взаимодействия аллельных генов: полное доминирование, неполное доминирование и кодоминирование.

При полном доминировании действие одного аллеля гена полностью подавляет действие другого аллеля, вследствие чего фенотипы гетерозигот и доминантных гомозигот не отличаются друг от друга. В фенотипе гетерозиготной особи (Аа) проявляется только один из альтернативных признаков. В этом случае у гетерозигот образуется одновременно активный продукт доминантного аллеля и неактивный продукт рецессивного аллеля. Снижение количества активного продукта в два раза не сказывается на формировании признака, кодируемого данным геном.

Полное доминирование наблюдалось в опытах Г. Менделя при изучении наследования признаков гороха.

В случае неполного доминирования один аллель неполностью подавляет другой аллель. В этом случае снижение количества активного продукта доминантного гена в два раза у гетерозигот сказывается на формировании признака. Классическим примером неполного доминирования служит наследование окраски цветков у растения «ночная красавица» (рис. 6).

7

Рис. 6. Наследование венчика цветка у ночной красавицы.

Неполное доминирование — один из наиболее часто встречающихся типов взаимодействия аллелей одного гена.

Кодоминирование – вид взаимодействия между аллелями одного гена, при котором ни один из аллелей не доминирует над другим и в фенотипе проявляется оба альтернативных признака. С точки зрения биохимических основ действия гена каждый аллель образует полноценный продукт и оба эти продукта участвуют в формировании признаков. Классическим примером может служить наследование групп крови по системе MN. Эта система определяется двумя аллелями и гена: JM, определяющего образование антигена М, и JN, контролирующего синтез антигена N. Различные комбинации аллелей образуют три генотипа: JMJM, JNJN и JMJN, которым ответствуют три группы крови, отличающиеся по наличию на поверхности эритроцитов двух специфических молекул — М и N. У лиц с группой крови MN на поверхности эритроцитов имеются оба типа молекул, что указывает на взаимодействие аллелей JM и JN по типу кодоминирования. Таким образом, при кодоминировании оба аллеля одного гена имеют самостоятельное фенотипическое проявление.

Множественные аллели. Большое количество генов в популяциях находится более чем в двух аллельных формах. Благодаря этому, один и тот же признак может быть выражен по-разному. Это явление получило название множественного аллелизма. Множественные аллели формируются в результате серии генных (точковых) мутаций одного гена.

Примером множественного аллелизма у человека является наследование групп крови системы АВО. Так, три аллеля одного гена определяют формирование четырех групп крови системы АВО. В зависимости от наличия на поверхностном аппарате эритроцитов агглютиногенов А и В, которые могут встречаться в различных комбинациях кровь людей подразделяют на 4 группы : I(0), II(А), III(В), IV(AB) (рис. 7).

Рис. 7. Группы крови человека по системе АВО.

Аллельное исключение. Аллельное исключение − процесс, при котором в диплоидной клетке происходит экспрессия только одного аллельного гена, а экспрессия другого аллеля подавлена. Существует несколько механизмов аллельного исключения. В

8

первом случае экспрессия аллельного гена может быть подавлена на стадии транскрипции, это приводит к экспрессии только второго аллеля данного гена. В другом случае оба аллеля могут транскрибироваться, но в процессе посттранскрипционных и посттрансляционных механизмов продукт одного аллеля элиминируется, а проявляется в признак только продукт второго аллеля.

3.2.Полигенное наследование. Взаимодействие аллелей разных генов.

Признаки, проявление которых определяется одним геном, нередко называют простыми, или менделирующими. Наследование и характер расщепления таких признаков в ряду поколений подчиняются законам Г. Менделя. Однако развитие многих признаков обусловлено взаимодействием нескольких генов, лежащих в разных хромосомных парах. Такие признаки получили название сложных. Их расщепление в поколениях отклоняется от соотношений, установленных Г. Менделем.

Взаимодействие аллелей разных генов, определяющих проявления сложных признаков, осуществляется по типу комплементарности, эпистаза и полимерии.

Комплементарность — одна из форм взаимодействия аллелей разных генов, при которой они дополняют действие друг друга. Признак формируется лишь при наличии в генотипе организма доминантных аллелей, при этом формируется новый признак, который не похож ни на один из родительских. Примером может служить наследование окраски венчика у льна. Голубой или розовый цвет венчика формируется только тогда, когда в генотипе присутствует доминантный аллель, отвечающий за формирование окрашенного венчика (рис. 8).

Рис. 8. Наследование окраски венчика цветков льна при комплементарном взаимодействии двух генов.

Эпистаз - одна из форм взаимодействия генов, при которой аллели одного гена подавляют проявление аллелей других генов. Ген, подавляющий проявление признака, определяемого другим геном, получил название эпистатического гена, или супрессора. Подавляемые гены называют гипостатическими. Различают два вида эпистаза: доминантный, когда супрессором служит доминантный аллель, и рецессивный, при котором эпистатическое действие оказывает рецессивный аллель.

В качестве примера рассмотрим наследование окраски плодов у тыквы. желтая или зеленя окраска плода подавляется доминантным геном, в результате чего получаются белые плоды (рис. 9).

9

Рис. 9. Наследование окраски плодов у тыквы при эпистатическом взаимодействии двух генов.

Полимерия — один из типов взаимодействия неаллельных генов, при котором степень развития одного и того же признака обусловлена влиянием ряда генов. Такие проявляющиеся сходным образом гены называются полимерными генами, или полигенами. Различают кумулятивную и некумулятивную полимерию.

В случае кумулятивной полимерии при накоплении в генотипе доминантных аллелей полимерных генов, действие их суммируется, т. е. они проявляют кумулятивный, или аддитивный эффект. Кумулятивная полимерия лежит в основе наследования многих количественных признаков, таких как рост, масса, удойность коров, количество колосков у растений, пигментация кожи. Впервые она была описана в 1908 г. шведским исследователем Г. Нильссоном-Эле при изучении наследования окраски зерен пшеницы.

Некумулятивная полимерия характеризуется тем, что для полной выраженности признака достаточно наличия в генотипе лишь одного доминантного аллеля любого из полимерных генов. Примером некумулятивной полимерии служит наследование формы стручков у крестоцветного растения пастушья сумка.

3.3.Плейотропное действие генов.

Плейотропия — множественное действие гена, способность гена воздействовать на проявления нескольких признаков. Множественное действие гена известно и у человека, например, аномалия развития, известная как синдром Морфана. Основные ее признаки – тонкие и длинные «паучьи» пальцы и нарушения в строении хрусталика, часто сочетаются с появлением катаракты и изменениями сердечно-сосудистой системы. Все эти признаки контролируются одним доминантным геном.

Плейотропное действие генов является отражением взаимосвязанности и взаимообусловленности процессов развития, когда один первичный генный продукт, образующийся на пути становления признака, одновременно оказывает влияние на множество путей развития. Поэтому мутация даже одного гена, вследствие которой нарушается синтез хотя бы одного фермента или другого биохимически активного продукта, может вызывать появление других признаков.

10