Текст книги "Медицинская биология: конспект лекций для вузов"

Вопрос 54. Правило расщепления

1. Расщепление при скрещивании однородных гибридов

При скрещивании однородных гибридов первого поколения между собой во втором поколении появляются особи как с доминантными, как и с рецессивными признаками, т. е. возникает расщепление, которое происходит в определенных частотных соотношениях.

Так, в опытах Менделя на 929 растениях второго поколения оказалось 705 растений с пурпурными цветами и 224 – с белыми. В опыте, в котором учитывалась окраска семян, из 8023 семян гороха, полученных во втором поколении, было 6022 желтых и 2001 зеленых и т. д. Обобщая фактический материал, Мендель пришел к выводу, что во втором поколении происходит расщепление признаков.

2. Выводы

Таким образом, в современных терминах можно сделать следующие выводы:

• аллельные гены, находящиеся в гетерозиготном состоянии, не изменяют друг друга;

• при созревании гамет из гибридов образуется приблизительно равное число гамет с доминантными и рецессивными аллелями;

• при оплодотворении мужские и женские гаметы, несущие доминантные и рецессивные аллели, свободно комбинируются.

3. Результаты скрещивания двух гетерозигот

При скрещивании двух гетерозигот (Аа), у каждой из которых образуется два типа гамет – половина с доминантными аллелями (А) и половина с рецессивными аллелями (а), следует ожидать четыре возможных варианта. Яйцеклетка с аллелем А может быть оплодотворена с одинаковой долей вероятности как сперматозоидом с аллелем А, так и сперматозоидом с аллелем а. Получаются зиготы АА, Аа, Аа, аа. По внешнему облику (фенотипу) особи АА и Аа неотличимы. Поэтому расщепление получается в соотношении 3:1. Однако по генотипу отношение будет таким: 1АА: 2Аа: 1аа.

Понятно, что если в дальнейшем от каждой группы особей второго поколения получать потомство лишь при самоопылении, то первая (АА) и последняя (аа) группы, являющиеся гомозиготными, будут давать только единообразное потомство без расщепления, а гетерозиготные формы будут продолжать расщепляться и дальше.

4. Второе правило Менделя

Второе правило Менделя следует сформулировать так: при скрещивании двух гетерозиготных особей, анализируемых по одной альтернативной паре признаков (то есть гибридов), в потомстве ожидается расщепление по фенотипу в соотношении3:1, а по генотипу – в соотношении 1:2:1.

Вопрос 55. Гипотеза «чистоты» гамет и анализирующее скрещивание. Неполное доминирование

1. Парность отдельных генов

Аллельные гены, находясь в гетерозиготном состоянии, не сливаются, не разбавляются, не изменяют друг друга. Этот феномен несмешивания альтернативных признаков в гаметах гибридного организма вошел в науку под названием гипотезы «чистоты» гамет, предложенной Менделем

Это явление основано на парности отдельных генов. Особь, гетерозиготная по какому– либо признаку, имеет в ядрах соматических клеток в одной из гомозиготных хромосом доминантный аллель гена, а в другой – рецессивный. В результате мейоза в каждой гамете оказывается лишь одна из гомозиготных хромосом, т. е. с каким-то одним из аллелей гена: либо доминантным, либо рецессивным. Естественно, что гетерозиготная особь образует два типа гамет, причем и тех и других поровну. Таким образом, в норме гамета от второго поколения аллельной пары всегда «чиста».

О генотипе организма, проявляющего рецессивный признак, можно судить по его фенотипу. Ведь если этот организм гетерозиготный, то у него должен проявиться доминантный признак. Следовательно, если отмечается рецессивный признак, организм обязательно должен быть гомозиготным по рецессивному гену.

2. Проявление доминантных признаков

Проявляющие доминантные признаки гомозиготные и гетерозиготные особи по фенотипу неразличимы. Для определения генотипа производят анализирующее скрещивание и узнают генотип интересующей особи по потомству. Анализирующее скрещивание заключается в том, что особь, генотип которой не ясен, но должен быть установлен, скрещивается с рецессивной формой. Если от такого скрещивания все потомство окажется однородным, значит анализируемая особь гомозиготна, если же произойдет расщепление, то она гетерозиготна. Определение генотипа имеет большое значение при селекционной работе в животноводстве и растениеводстве.

3. Неполное доминирование

В своих опытах Мендель имел дело с признаками полного доминирования, поэтому гетерозиготные особи в его опытах оказались неотличимы от доминантных гомозигот. Но в природе наряду с полным доминированием часто наблюдается неполное, т. е. гетерозиготы имеют собственный фенотип. Так, у душистого горошка известны две расы – с красными и белыми цветами. Гибриды, полученные при скрещивании этих рас, имеют промежуточную розовую окраску. Во втором поколении расщепление по фенотипу соответствует расщеплению по генотипу, то есть происходит в отношении 1 красный: 2 розовых: 1 белый.

В ряде случаев расщепление во втором поколении может отличаться от ожидаемого в связи с тем, что зиготы, содержащие определенные генотипы, оказываются нежизнеспособными. Так, при скрещивании желтых мышей с черными в потомстве появляются желтые и черные индивиды в соотношении 1:1, при скрещивании черных мышей между собой все потомство будет только черным, а при скрещивании желтых в первом поколении отмечается расщепление в соотношении 2 желтые: 1 черная.

4. Доминантность аллельного гена

Такое странное наследование желтой окраски объясняется тем, что она обусловлена доминантным аллелем гена, но, вероятно, желтая окраска реализуется только в гетерозиготном состоянии, о чем соответствует анализ всех типов скрещиваний. Реально предположить, что гомозиготные доминантные особи погибают еще в эмбриональном состоянии.

Вопрос 56. Полигибридное скрещивание. Дигибридное скрещивание как пример полигибридного скрещивания

1. Пример полигибридного скрещивания

При полигибридном скрещивании родительские организмы анализируются по нескольким признакам. Примером полигибридного скрещивания может служить дигибридное, при котором родительские организмы отличаются по двум парам признаков.

Например, можно скрестить два сорта гороха с неодинаковой окраской и различной формой семян. Первое поколение гибридов в этом случае оказывается однородным. Проявляются только оба доминантных признака, причем доминирование не зависит от того, как признаки были распределены между родителями. Например, если у одного из родителей были желтые и гладкие семена, а у другого – зеленые и морщинистые, то все потомство окажется сходным с первым из родителей. Однако если сочетание признаков у родителей было иным, то у гибридов проявляется один признак от первого, а второй – от второго из родителей. Но фактически в обоих случаях имеется одна и та же закономерность – реализация правила доминирования у гетерозиготных форм.

2. Выводы Менделя

Изучая закономерности наследования, Мендель провел скрещивание особей первого поколения, гетерозиготных по двум признакам. В результате при скрещивании растений первого гибридного поколения, имеющих желтые и гладкие семена, во втором поколении было обнаружено следующее расщепление: желтых гладких семян оказалось 315, желтых морщинистых – 101, зеленых гладких – 108, зеленых морщинистых – 32.

Мендель сделал вывод, что при скрещивании особей, гетерозиготных по двум признакам, т. е. дигетерозиготных гибридов первого поколения, во втором поколении получается расщепление в соотношении 9:3:3:1.

Вопрос 57. Правило независимого комбинирования признаков

1. Расщепление при дигибридном скрещивании

Изучая расщепление при дигибридном скрещивании, Мендель обратил внимание на важное обстоятельство. В опыты в качестве исходных форм были взяты растения с семенами желтыми гладкими (ААВВ) и зелеными морщинистыми (аавв), а во втором поколении появилось не только такое сочетание признаков, как у исходных форм, но и новые комбинации: желтые морщинистые (Аавв) и зеленые гладкие (ааВВ).

2. Третье правило Менделя

Мендель сделал вывод, что форма семян наследуется независимо от окраски. Эта закономерность получила название третьего правила Менделя, или правила независимого комбинирования признаков. Оно формулируется следующим образом: при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся двумя (и более) парами альтернативных признаков, во втором поколении (F2) при инбридинге F1 отмечается независимое комбинирование признаков, в результате чего появляются гибридные формы, несущие признаки в сочетании, не свойственном родительским и прародительским особям.

3. Закономерность этого правила

Объяснение этой закономерности заключается в том, что каждая пара признаков, а следовательно, и каждая пара аллельных генов распределяются у гибридов независимо от другой пары, поэтому аллели из различных пар могут комбинироваться в любых сочетаниях.

Так, в нашем примере у дигетерозиготной особи (АаВв) при формировании гамет аллель А может оказаться в одной гамете как с аллелем В, так и с аллелем в. Точно так же аллель а может попасть в одну гамету либо с аллелем В, либо с аллелем в.

4. Комбинации генов у дигетерозиготных особей

Следовательно, у дигетерозиготной особи образуются четыре возможные комбинации генов в гаметах: АВ, Ав, аВ, ав. Всех типов гамет будет поровну (25 %). Это несложно объяснить поведением хромосом при мейозе. Для простоты возьмем гипотетический организм, имеющий всего две пары хромосом. Назовем их первой и второй парой. Если этот организм гетерозиготен по двум генам, то одна из хромосом первой пары будет нести в себе аллель А, а другая – аллель а; во второй паре хромосом одна из них несет аллель В, а другая – аллель в.

После мейоза каждая гамета имеет по одной хромосоме из каждой гомозиготной пары. Негомологичные хромосомы при мейозе могут комбинироваться в любых сочетаниях, поэтому хромосома, несущая аллель А, с одинаковым успехом(равновероятно) может отойти в гамету как с хромосомой, несущей аллель В, так и с хромосомой, несущей аллель в.

Из сказанного с очевидностью вытекает, что дигетерозиготная особь образует 4 типа гамет. Естественно, что при скрещивании этих гетерозиготных особей любая из 4 типов гамет одного родителя может быть оплодотворена любой из четырех типов гамет, сформированных другим родителем, то есть возможно 16 комбинаций. Такое же число комбинаций следует ожидать по законам комбинаторики.

5. Подсчет фенотипов

При подсчете фенотипов, записанных на решетке Пеннета, оказывается, что из 16-и возможных комбинаций во втором поколении в 9-и реализуется два доминантных признака (ААВВ), в 3-х первый признак будет доминантным, а второй – рецессивным (Аавв), еще в 3-х первый признак будет рецессивным, а второй – доминантным (ааВВ), наконец, в одной комбинации оба признака будут рецессивными (аавв). Произошло расщепление по фенотипу в отношении 9:3:3:1. Рассмотренный анализ служит доказательством независимого наследования признаков, закона чистоты гамет. Если при скрещивании прослеживается более двух альтернативных признаков, то число ожидаемых комбинаций увеличивается. При тригибридном скрещивании гетерозиготы образуют по 8 типов гамет, дающих 64 сочетания. Если же вероятные комбинации выписать в виде решетки Пеннета, а затем подсчитать, то получится соотношение 27:9:9:9:3:3:3:3:1. В более общей форме следует сказать, что расщепление по фенотипу происходит по формуле (3+1) n, где n – число пар признаков, взятых для скрещивания.

Вопрос 58. Взаимодействие генов. Комплементарное действие

1. Схема взаимодействия между генами

Развитие любых признаков у организмов является следствием сложных взаимодействий между генами, точнее между продуктами их деятельности – белками-ферментами. Эти взаимодействия могут быть представлены в виде следующей схемы.

I. Взаимодействие генов одной аллельной пары:

• неполное доминирование;

• доминирование;

• сверхдоминирование;

• кодоминирование.

II. Взаимодействие генов различных аллельных пар:

• комплементарное действие;

• эпистаз;

• полимерия.

2. Доминирование

Доминирование проявляется в тех случаях, когда одна аллель гена полностью скрывает присутствие другой аллели. Однако, по-видимому, чаще всего присутствие рецессивной аллели как-то сказывается и обычно приходится встречаться с различной с степенью неполного доминирования. Очевидно, это объясняется тем, что доминантная аллель отвечает за активную форму белка-фермента, а рецессивные аллели часто детерминируют те же белки-ферменты, но со сниженной ферментативной активностью. Это явление и реализуется у гетерозиготных форм в виде неполного доминирования.

Сверхдоминирование заключается в том, что у доминантного аллеля в гетерозиготном состоянии иногда отмечается более сильное проявление, чем в гомозиготном состоянии.

3. Кодоминирование

Кодоминирование – проявление в гетерозиготном состоянии признаков, детерминируемых обеими аллелями. Например, каждый из аллельных генов кодирует определенный белок, и у гетерозиготного организма синтезируются они оба. В таких случаях путем биохимического исследования можно установить гетерозиготность без проведения анализирующего скрещивания. Этот метод нашел распространение в медико-генетических консультациях для выявления гетерозиготных носителей генов, обусловливающих болезни обмена. По типу кодоминирования у человека наследуются группы крови. Сложные отношения возникают между неаллельными парами генов (комплементарное действие, эпистаз, полимерия и т. д.).

4. Комплементарные гены

Комплементарными называются взаимодополняющие гены. Их примером может служить скрещивание двух рас душистого горошка, имеющих белый цвет: гибриды первого поколения оказались не белыми а красно-фиолетовыми, во втором же поколении обнаружилось опять-таки неожиданное расщепление в соотношении 9:7.

Генетический анализ показал, что окраска цветов душистого горошка зависит от двух комплементарных генов. Каждый из них доминантен, но в отсутствие другого гена своего действия не проявляет. Генотип одной расы горошка с белыми цветами был Аавв, другой – ааВВ. При скрещивании их гибриды имели генотип АаВа, и тогда окраска проявилась.

Во втором поколении все растения с доминантными аллелями обоих генов оказываются окрашенными, но растения, имеющие лишь доминантный аллель одного из генов, как и имеющие только рецессивные аллели этих генов, оказываются однотипными, бесцветными.

5. Своеобразный результат при скрещивании черных и белых мышей

Своеобразный результат обнаружен при скрещивании черных и белых мышей. Все особи первого поколения были серыми. А во втором поколении расщепление произошло в соотношении 9:3:4. Выяснилось, что окраска шерсти у мышей также контролируется двумя комплементарными генами. Но здесь, в отличие от предыдущего примера, один из генов (А) имеет собственное фенотипическое появление, второй же (В) реализуется фенотипически лишь в присутствии первого. Доминантный аллель А необходим для синтеза пигмента, в отсутствие его (аа) пигмент не развивается и животные оказываются альбиносами. Доминантный аллель В обеспечивает отложение пигмента в волосе в форме черных колец, вследствие чего волосы приобретают серую окраску. Если доминантный аллель В отсутствует в зиготе, то есть по этому гену животное имеет генотип вв, то при наличии доминантного аллеля А пигмент в волосах откладывается равномерно, и они приобретают черную окраску.

6. Генотипы мышей

Альбиносы, взятые в опыт, были гомозиготами по рецессивному гену окраски и по доминантному гену зонального распределения пигментов (ааВВ). Черные мыши были гомозиготными по доминантному гену окраски и рецессивному гену зонального распределения пигментов (Аавв). Мыши в F1 имели генетическую конституцию АаВв и приобрели серую краску. Для уяснения отмеченной закономерности генотипы мышей из F2 рекомендуется выписать на решетку и убедиться, что для особей, обладающих двумя доминантными генами (ААВВ), частота встречаемости равна 9/16 (они все имеют серую окраску), для особей, имеющих доминантный аллель первого гена и рецессивный второго (Аавв) – 3/16 (черные). Наконец, соотношение потомков, получивших только рецессивные аллели первого гена и доминантные второго (ааВВ), как и особей, несущих рецессивные аллели обоих генов (аавв), составит 3/16+1/16, то есть 4/16 (белые). Аналогичные случаи наследования встречаются у многих видов животных и растений. Каждый из доминантных аллелей комплементарных генов может проявляться самостоятельно, независимо от другого, но в этом случае совместное их присутствие в зиготе обусловливает новое состояние признака. Классический пример такого типа наследования представляет наследование формы гребней у кур.

Вопрос 59. Эпистаз. Полимерия и плейотропия

1. Характеристика эпистаза

Взаимодействие генов, противоположное комплементарному, получило название эпистаза. Под эпистазом понимают подавление неаллельным геном действия другого гена.

Например, у кур доминантный аллель гена С обусловливает развитие пигмента, но доминантный аллель другого гена J является его супрессором (подавителем). В результате этого куры, даже имеющие в генотипе доминантный аллель гена окраски, в присутствии супрессора оказываются белыми. Следовательно, особи с генотипом JС – белые, а с генотипом jjcc и jjCc – окрашенные.

2. Обусловленность белой окраски

Таким образом, белая окраска у кур может быть обусловлена, с одной стороны, отсутствием доминантного аллеля гена, вызывающего образование пигмента (jjcc), а с другой – наличием доминантного аллеля гена – подавителя окраски (J).

Следовательно, если скрестить двух белых птиц с генотипами (JJCC) и (jjcc), все особи F1 окажутся тоже белыми (jJCc), но в F2 при родственном скрещивании особей первого поколения произойдет расщепление по фенотипу в отношении 13:3. Из 16 птиц 3 будут окрашенные (jjСС и jjCc), так как все они имеют ген-супрессор в рецессиве и доминантный ген окраски. Два класса фенотипов (9+3) окажутся белыми, так как у них присутствует доминантный аллель гена-супрессора; кроме того, рецессивные дигомозиготы (ccjj) тоже будут белыми. Понятно, что сходный фенотип трех классов (9+3+1) привел к необычному расщеплению по фенотипу в соотношении 13:3. Обнаружено много примеров комплементарного и эпистатического действия генов у микроорганизмов, растений, животных и человека. В основе взаимодействия неаллельных генов лежит биохимическое отношение между белками ферментами, которые кодируются комплементарными или эпистатическими генами.

3. Полимерные гены

Различные неаллельные гены могут оказывать действие на один и тот же признак, усиливая его проявление. Такие гены получили название полимерных. Поскольку от таких генов зависит реализация одного и того же признака, принято обозначать их одной и той же буквой латинского алфавита с указанием индекса для разных неаллельных пар, например SiSi, sisi и т. д.

4. Открытие полимерных факторов

Полимерные факторы были открыты шведским генетиком Г. Нильсеном-Эле в 1908 г. При изучении наследования окраски семян у пшеницы установлено, что этот признак зависит от двух однозначных факторов (неаллельные гены), поэтому при скрещивании доминантной и рецессивной дигомогозигот, то есть окрашенной формы (А1А1А2А2) с неокрашенной (а1а1а2а2) в F1 все растения дают окрашенные семена, хотя они заметно светлее, чем родительский экземпляр, имевший красные семена. В F2 при родственном скрещивании особей первого поколения обнаруживается расщепление по фенотипу в соотношении 15:1, так как бесцветными являются лишь рецессивные дигомозиготные формы (а1а1а2а2). У пигментированных экземпляров интенсивность окраски сильно варьирует в зависимости от гена полученных ими доминантных аллелей этих генов.

Позже Нильсен-Эле обнаружил такие расы пшениц, у которых цвет семян обусловлен тремя парами однозначных факторов. В таком случае в F2 при родственном скрещивании тригетерозигот расщепление возникает в отношении 63:1 по фенотипу. Вскоре было установлено, что полимерными факторами определяются практически все хозяйственно ценные количественные признаки домашних животных и культурных растений.

5. Плейотропия

Зависимость нескольких признаков от одного гена носит название плейотропии. Обнаружено, что у овса окраска чешуи и длина ости семян определяются одним геном. У человека аномалия, известная под названием «паучьи пальцы», обусловлена геном, с которым связаны также нарушения в строении хрусталика глаза.

Надо полагать, что каждый ген оказывает какое-то основное действие, но, обладая плейотропностью, изменяет, модифицирует проявление других генов, в связи с чем и введено понятие о генах-модификаторах. Последние усиливают или ослабляют развитие признаков, кодируемых «основным» геном. Возможно, что каждый ген является одновременно геном основного действия для «своего» признака и модификатором для других признаков. Таким образом, фенотип – результат взаимодействия генов и генотипа с внешней средой в онтогенезе особи.