ЗАНЯТИЕ № 10

Закономерности наследования. Взаимодействия генов
Генетика (от греч. genesis - происхождение) – наука, изучающая явления наследственности и изменчивости у живых организмов на всех уровнях его организации. Термин «генетика» ввел в биологию У. Бетсон в 1906 г.
Обычно наследственность как свойство дочерних организмов быть похожими на своих родителей морфологическими, физиологическими, биохимическими и другими признаками и особенностями индивидуального развития. Каждый вид животного и растения сохраняет в ряду поколений характерные для него черты: курица выводит цыплят, свинья рождает поросят, рожь воспроизводит рожь и т.д., причем каждый вид животного и растения, куда бы его ни перевозили и в какие бы условия ни помещали, если он сохранит способность размножаться, воспроизведет свои особенности.
Наследственность обеспечивает материальную и функциональную преемственность между поколениями организмов, проявляющуюся в непрерывности живой материи при смене поколений.
Наряду с явлением наследственности в предмет исследования генетики входит изучение, как мы сказали выше процесса изменчивости. Изменчивость – это свойство, противоположное наследственности, оно заключается в способности дочерних организмов отличаться от родителей морфологическими, физиологическими, биохимическими и другими особенностями и отклонениями в индивидуальном развитии. Наследственность и изменчивость реализуются в процессе наследования.
Элементарной единицей наследственности и изменчивости является ген. (В. Иоганнсен, 1909 г.) Ген – это участок молекулы ДНК, определяющий последовательность аминокислот определенного полипептида или нуклеотидов РНК.
Основными задачами генетики как науки являются:
• изучение способов хранения генетической информации у разных организмов и ее материальных носителей;
• выявление механизмов и закономерностей реализации генетической информации в процессе индивидуального развития и влияние на них условий среды;
• изучение закономерностей и механизмов изменчивости;
• поиск способов исправления поврежденной генетической информации.
Для решения этих задач используются разные методы исследования.
Метод гибридологического анализа был разработан Г. Менделем. Сущность его заключается в следующем:
• проводится анализ наследования отдельных альтернативных признаков;
• прослеживается передача этих признаков в ряду поколений;
• проводится точный количественный учет потомков с различной комбинацией признаков.
Этот метод позволяет выявлять закономерности наследования отдельных признаков при половом размножении организмов.
Со времен Менделя генетический анализ обогатился целым рядом методов: метод получения мутаций, отдаленной гибридизации, для анализа материальных основ наследственности – функционирования хромосом и механизмов их воспроизведения при клеточном делении – широко используются цитогенетический метод.
Само рождение генетики как точной науки стало возможным, благодаря использованию математического метода в анализе полученных результатов. Г. Мендель применил количественный подход к изучению результатов скрещиваний.
Прежде чем перейти к рассмотрению законов Менделя, необходимо познакомиться с основными понятиями, которые используются в генетике.
Признак – это внешнее проявление действия гена. Он возникает как результат функционирования соответствующего белка. Признаками могут быть, например, рост, цвет глаз и кожи, длина пальцев и т.д. Окончательное формирование любого признака зависит также от других генов организма и от влияния факторов внешней среды.
Гены, отвечающие за различные проявления одного и того же признака (например длинные или короткие пальцы) и расположенные в одинаковых местах (локусах) гомологичных хромосом, называются аллельными, или аллелями. В любом диплоидном организме за функциональное состояние какого-либо белка, а следовательно, и за признак отвечают два аллельных гена. Из этой пары один аллель происходит от отца, другой – от матери, так как во время мейоза в половую клетку попадает только одна из каждой пары гомологичных хромосом, а вместе с ней только один ген из аллельной пары. Исключение составляют гены половых хромосом, которые у мужчин являются в норме непарными.
Если оба аллельных гена одинаковы по функции, т.е. определяют одно и то же проявление признака, то такой организм называется (АА или аа) гомозиготным.
Когда действие обоих аллелей различается (например один ген кодирует нормально работающий белок, а другой - аномальный), то констатируется (Аа) гетерозиготность данной особи. Понятия «гомозиготность» и «гетерозиготность» ввел У. Бэтсон в 1902 г.Организм, содержащий только один ген из пары, получил название гемизиготного. В нормальных условиях гемизиготность характерна для генов, расположенных у мужчин в половых хромосомах.
Если функция одного аллельного гена не зависит от другого из этой пары и он приводит к появлению признака, то такой ген называют доминантным (dominans - господствующий). Он как бы «подавляет» проявление другого аллеля. Доминантные гены и признаки, которые они кодируют, обозначают прописными буквами латинского алфавита (А, В, С и т.д.). Доминантный ген приводит к возникновению признака как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состоянии. Такими признаками у человека являются, в частности, белый локон, короткие пальцы, курчавые волосы, узкая выступающая вперед нижняя челюсть с отвислой губой (габсбургская губа) и т.д.
Ген, действие которого проявляется в отсутствии доминантного аллеля только в гомозиготном состоянии, получил название рецессивного (recessivus - отступающий). Рецессивные гены и признаки, которые они определяют, обозначают строчными буквами латинского алфавита (a, b, c и т.д.). К рецессивным признакам у человека относятся, например, альбинизм, первая группа крови, неспособность сложить язык трубочкой и т.д.
Проводя опыты с растениями гороха, Г. Мендель искусственно опылял (скрещивал) отобранные растения между собой. Скрещивание двух организмов называют гибридизацией, а потомков такого скрещивания – гибридами. Если гибридизации подвергают особи, различающиеся между собой по одной паре альтернативных признаков, то говорят о моногибридном скрещивании. При дигибридном скрещивании наблюдают за распределением в потомстве двух пар признаков, при тригибридном – трех, и т.д.
Согласно общепринятым обозначениям, родительских особей при скрещивании отмечают буквой P (от parenta - родители), гаметы – G (от gamete – половые клетки), гибриды первого поколения – F1 (от лат. filialis - дети), второго – F2 и т.д., скрещивание двух организмов знаком – х, женские особи - ♀ (зеркалоВенеры), мужскиеособи - ♂ (щитикопьеМарса).
Моногибридным скрещиванием называют такое, при котором родительские формы различаются лишь по одной паре альтернативных, или контрастирующих, признаков. Например, отцовское растение несет пурпурные цветки, а материнское – белые, или наоборот.
Перед тем как производить скрещивание, необходимо убедиться в том, что избранные признаки родительских форм являются константными в ряду поколений, т.е. при самоопылении или близкородственном скрещивании каждый из избранных признаков стойко наследуется.
От скрещивания растений, различающихся по окраске семян (желтые и зеленые), на материнском растении гибридные семена F1 в год скрещивания оказываются только желтыми. Если исходные растения отличались по форме семян (гладкие - морщинистые), то гибридные семена F1 на материнском растении оказываются только гладкими.
Следовательно, у гибрида первого поколения из каждой пары альтернативных признаков развивается только один. Второй признак как бы исчезает, не проявляется. Это явление преобладания у гибрида признака одного из родителей Г. Мендель назвал доминированием. Признак, проявляющийся у гибрида первого поколения и подавляющий развитие другого признака, был назван доминантным; противоположный, т.е. подавляемый, признак – рецессивным.
При скрещивании между собой растения гороха различающимися парами одинаковых признаков сохраняются родительские признаки в нескольких поколениях. Позже такие живые организмы, у которых определенный признак наследовался потомками постоянно и неизменно, были названы В. Иогансеном «чистыми линиями».
Гомозиготные особи в процессе мейоза образуют гаметы только с одним типом гена – доминантным или рецессивным. При слиянии таких гамет все потомки первого поколения оказываются гетерозиготами и внешне формируется доминантный признак.
а) Закон единообразия гибридов первого поколения — первый закон Менделя — называют также, законом доминированиятак как все особи первого поколения имеют одинаковое проявление признака. Сформулировать его можно следующим образом: при скрещивании двух организмов, относящихся к разным чистым линиям (двух гомозиготных организмов), отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все первое поколение гибридов (F1) окажется единообразным и будет нестипризнак одного из родителей.
б) Если гибриду первого поколения, полученному, например, от скрещивания двух форм гороха, различающихся по окраске цветка, представляется возможность самоопыляться, то в следующем поколении, т.е. в F2, появляются растения с признаками обоих родителей. Это явление носит название расщепления. В F2 наблюдается расщепление в совершенно определенном количественном соотношении, а именно: в среднем 3⁄4 от общего числа растений несут пурпурные цветки и лишь 1⁄4 – белые, т.е. отношение числа растений с доминантным признаком к числу растений с рецессивным признаком оказывается равным 3:1. Следовательно, рецессивный признак у гибрида первого поколения не исчез, а был только подавлен и проявился во втором гибридном поколении.
Второй закон Менделя можно сформулировать следующим образом: при скрещивании двух потомков первого поколения между собой (двух гетерозиготных особей) во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом соотношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1.
Как мы видели, в F2 следует различать, во-вторих, расщепление по внешнему проявлению признаков, которое выражается отношением 3:1, и, во-вторых, по наследственным потенциям, задаткам, выражаемое отношением 1:2:1. Первый тип расщепления называют расщеплением по фенотипу, т.е. по внешнему проявлению признаков, второй тип – по генотипу, т.е. по наследственным задаткам. Термины «фенотип» и «генотип» введены в 1903 г. В. Иоганнсеном.
Под генотипом мы понимаем совокупность наследственных задатков, которыми обладает организм. Фенотипом называют совокупность свойств и признаков организма, которые являются результатом взаимодействия генотипа особи и окружающей среды.
Мендель впервые применил символическое обозначение генотипа, где наследственные факторы, определяющие парные альтернативные признаки, обозначались буквами латинского алфавита. Такую пару альтернативных признаков В. Бэтсон в 1902 г. предложил назвать аллеломорфной парой, а парность признаков – аллеломорфизмом. В 1926 г. В. Иоганнсен предложил термин «аллеломорфизм» заменить более кратким – «аллелизм», а отдельный фактор одной пары назвать «аллелью». По-этому, в настоящее время «гены, определяющие альтернативное развитие одного и того же признака и расположенные в идентичных участках гомологичных хромосом, называют аллельными генами и аллелями».
До сих пор мы говорили об одной паре альтернативных признаков, один из которых является доминантным, другой – рецессивным.
Мендель исследовал у гороха семь пар таких признаков:
1. семена гладкие и морщинистые, или угловатые,
2. семядоли желтые и зеленые,
3. окраска семенной кожуры серо-коречневая и белая,
4. форма боба выпуклая и с перетяжками,
5. окраска зрелого боба желтая и зеленая,
6. расположение цветков пазушное и верхушечное,
7. стебель растения высокий и низкий.
Истинная природа парности признаков Менделю осталась неизвестной. Он предполагал, что половые клетки несут по одному наследственному задатку, которые попарно соединяются при оплодотворении. Теперь эти задатку, или факторы, переносимые половыми клетками, называют генами.
В изучении наследования признаков генетики исходят из представления, что развитие каждого признака определяется отдельным геном. Следовательно, при дигибридном скрещивании необходимо изучать наследование двух генов.
В последующем Г. Мендель стал усложнять свои опыты. Он исследовал, каким образом распределяются в потомстве несколько пар альтернативных признаков родителей, т.е. проводил дигибридное и тригибридное скрещивания. Первоначально он перекрестно опылил горох, имевший гладкие и желтые семена (ААВВ), и растение с зелеными и морщинистыми семенами (ааbb). В результате все гибриды первого поколения оказались гетерозиготами и были идентичны по внешнему виду: гладкие и желтые:
жел⁄глад.зел/морщ.
Р: ♀ ААВВ х ♂ ааbb
G: АВ ab
F1:АаВb
жел⁄глад
В свою очередь, каждый из этих гибридов первого поколения уже образует четыре типа гамет (АВ; Аb; аВ; аb). Такая ситуация обусловлена независимым расхождением негомологичных хромосом в процессе мейоза к разным полюсам клетки, а следовательно, и в разные гаметы. Поэтому для аллеля А имеется равная вероятность попасть в одну половую клетку с геном В или b, как и для аллеля а. Случайное сочетание гамет при оплодотворении приводит к независимому распределению аллельных генов среди зигот, а также соответствующих признаков – в потомстве.
Это было блестяще показано Г. Менделем при дигибридном скрещивании гетерозиготных особей первого поколения. Общее число возможных комбинаций внешних признаков у гибридов второго поколения оказалось равно четырем. При этом соотношение частоты встречаемости отдельных типов сочетаний было следующим: 9 (гладких и желтых): 3 (желтых и морщинистых): 3 (зеленых и гладких): 1 (зеленых и морщинистых).
Таким образом, третий закон Менделя показывает, что при скрещивании особей, различающихся по двум и более парам аллелей, все гены распределяются в потомстве независимо друг от друга.
Третий закон Менделя можно сформу¬лировать следующим образом: при скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.
Для проявления законов Менделя и совпадения теоретически ожидаемого соотношения особей определенных фенотипов с реально наблюдаемым, необходимо соблюдение следующих условий:
• гомозиготность исходных форм;
• альтернативное проявление признаков в каждой паре;
• равная вероятность образования у гибрида гамет с разными аллелями;
• одинаковая жизнеспособность разных гамет;
• случайный характер сочетания гамет при оплодотворении;
• одинаковая жизнеспособность зигот с разными комбинациями генов;
• достаточная для получения достоверных результатов численность особей во втором поколении;
• независимость проявления признаков от внешних условий и от остальных генов генотипа в целом.
На практике эти условия, как правило, соблюдаются у большинства организмов, включая человека.
Значительно больший интерес для генетического анализа представляет скрещивание гибрида F1 (Аа) с формой, гомозиготной по рецессивному гену, т.е. с формой аа. Поскольку все гаметы этой формы несут рецессивную аллель, характер расщепления в потомстве по фенотипу будет соответствовать качеству гамет гибридного организма. В результате расщепление по гену окраски цветков окажется в отношении 1Аа:1аа. По характеру расщепления в потомстве от такого скрещивания Аа х аа можно проанализировать наследственную структуру гибрида по данному гену. Отсюда и скрещивание гибридного организма с исходной формой, гомозиготной по рецессивному гену, получило название анализирующего скрещивания.
Совпадение полученных данных с теоретически ожидаемыми в анализирующем скрещивании служит одним из прямых доказательств равного образования двух сортов гамет. Данным скрещиванием для указанной цели и воспользовался Мендель. С помощью этого метода можно проверить гетерозиготность организма по изучаемой паре генов из любого поколения F1, F2, F3, F4 и т.д. Как будет видно из дальнейшего, подобное скрещивание является очень важным приемом генетического анализа сложных гибридов.
На основании опытов Менделя стало известно, что отдельные наследственные признаки могут передаваться из поколения в поколение, не изменяя своих свойств и комбинируясь в соответствии с простыми законами. Сначала эти единицы наследственности изучали по их видимым внешним проявлениям – качественным признакам (цвет, форма, длина и т.д.). В 1909 г. В. Иогансен предложил назвать эти наследственные единицы термином «ген».
Между геном и признаком существует сложная связь.
Гены отвечают за синтез белков, которые катализируют определенные биохимические реакции, в результате чего проявляются определенные признаки.
Проявление признаков – результат взаимодействия различных биохимических реакций. Эти взаимодействия могут быть связаны с аллельными и неаллельными генами.
Взаимодействие генов, находящихся в одной аллельной паре, происходит по типу:
o полного доминирования;
o неполного доминирования;
o кодоминирования;
o сверхдоминирования (гетерозис).
При полном доминировании действие одного (доминантного) гена полностью подавляет действие другого (рецессивного). При скрещивании в первом поколении проявляется доминантный признак (например, желтый цвет горошин).
При неполном доминировании происходит ослабление действия доминантного аллеля в присутствии рецессивного. Гетерозиготные особи, полученные в результате скрещивания, имеют собственный генотип. Например, при скрещивании растений ночной красавицы с красными и белыми цветками появляются розовые. Другим примером полудоминантного признака может служить окраска оперения у кур андалузской породы. При скрещивании белых кур с черными петухами, потомство F1 имеет серую окраску, в то время как во втором поколении у ¼ птицокраскаоперениячерная, у ½ сераяиу¼белая.
При кодоминировании проявляется действие обоих генов при одновременном их присутствии. В результате проявляется новый признак.
Например, IV группа крови (IАIВ) у человека формируется при взаимодействии генов IА и IВ. По отдельности ген IА определяет II группу крови, а IВ – III группу крови.
Как правило, на уровне синтеза полипептида аллели гетерозигот кодоминантны. Так у гетерозигот по серповидноклеточной анемии HbA/HbS, гемоглобины HbS составляют 35 – 42 %, HbA 60 – 65%. Полная клиническая картина заболевания (тромбозы мелких сосудов, инфаркты внутренних органов, гемолитическая анемия, гиперплазия костного мозга, нарушения мозгового кровообращения; смерть в возрасте 3 – 10 лет, иногда позже) проявляется только в случае гомозиготности по HbS. У гомозигот мутантный гемоглобин Hba2β26Глу→Вал состоит из двух нормальных α–цепейидвухмутантныхβ–цепей, в 6-м положении которых глутаминовая кислота заменена валином. Заболевание наследуется по аутосомно – рецессивному типу, наличие у гетерозигот до 65% нормального гемоглобина позволяет большинству из них чувствовать себя здоровыми Однако в холодное время года, при повышенной нагрузке, а также при полетах на самолете у них появляются боли в суставах, сердце, брюшной полости, в области селезенки, что свидетельствует о неполной доминантности нормального аллеляHbA в экстремальных условиях у носителей мутантного алеляHbS. Таким образом, кодоминантность у гетерозиготHbA/HbS проявляется только на уровне синтеза полипептидных цепей гемоглобина, а заболевание с полной клинической картиной наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
При сверхдоминировании у доминантного аллеля в гетерозиготном состоянии отмечается более сильное проявление признака, чем в гомозиготном. Так гетерозиготы по серповидноклеточной анемии обладают большей резистентностью к тропической малярии, вызываемой протозойным паразитом Plamodiumfalciparum, чем индивиды, гомозиготные по нормальному доминантному аллелю гена, определяющего форму эритроцитов: HbA/HbA<HbA/ HbS>HbS/HbS.
Другим примером может служить сверхдоминирование, наблюдаемое по такому признаку, как плодовитость у дрозофилы. Экспериментально показано, что у гетерозигот по отдельным мутациям наблюдаются более высокие показатели плодовитости, чем у родительских линий. Такая повышенная мощность гибридов первого поколения носит название «гетерозис». Как правило, по количественным признакам наблюдается гетерозис, основанный на гетерозиготности по многим генам, но возможны случаи гетерозиса у гетерозигот по одной паре аллелей, плейотропно влияющих на такие признаки, как плодовитость, длительность жизни, вес и др.
На один признак организма очень часто могут влиять несколько пар неаллельных генов. Взаимодействие неаллельных генов происходит по типу:
o комплементарности;
o эпистаза;
o полимерии;
o плейотропии.
К комплементарным, или дополнительным, генам относят такие гены, которые при совместном действии в генотипе в гомо- или гетерозиготном состояниях (А - В -) обусловливают развитие нового признака. Действие же каждого гена в отдельности (А-bb или ааВ-) воспроизводит признак лишь одного из скрещиваемых родителей. Существует не менее трех типов комплементарности:
o доминантные гены различаются по фенотипическому проявлению;
o доминантные гены имеют сходное фенотипическое проявление;
o и доминантные, и рецессивные гены имеют самостоятельное фенотипическое проявление.
Если доминантные аллели двух генов обусловливают разный фенотип, то в F2 наблюдается расщепление 9:3:3:1. В качестве примера данного типа взаимодействия генов можно привести наследование формы гребня у кур.
У гибридов первого поколения (F1) доминантные гены А и В дополняют друг друга и вместе обусловливают ореховидную форму гребня, которой не было у родительских форм. При скрещивании гибридов F1: АаВb х АаВb во втором поколении, наряду с ореховидной, розовидной и гороховидной появляется простая форма гребня в соотношении: 9А-В-: 3А-bb: 3ааВ-: 1ааbb («-» означает, что аллель в гомологичной хромосоме может быть как доминантным, так и рецессивным). В отличие от менделеевского расщепления, наблюдаемого во втором поколении дигибридного скрещивания, в данном случае в первом поколении два гена действуют на один признак.
При другом варианте комплементарности доминантные аллели двух взаимодействующих генов не имеют собственного фенотипического проявления: новый фенотип у гибридов определяется одновременным присутствием в генотипе двух неаллельных доминантных генов.
Так, у тутового шелкопряда Bombyxmori желтая окраска кокона определяется наличием в генотипе двух доминантных генов – А и В, при наличии в генотипе только одного из этих генов, а также у двойных гомозиготааbb - окраска кокона белая. Поэтому в F2 у 7/16 коконов окраска белая, а у 9/16 А-В- - желтая.
белые коконы белые коконы
Р: ♀ААbb х ♂ааВВ
G: Аb а В
желтые коконы
F1 AaBb
F29/16 А-В-: 3/16 А-bb: 3/16 ааВ-:1/1 ааbb
желтые коконы(9) белые коконы(7)
Явление подавления действия одного гена другим, неаллельным ему геном называется эпистазом.
Эпистатическое взаимодействие генов по своему характеру противоположно комплементарному взаимодействию.
Гены, подавляющие действие других генов, называются супрессорами, или ингибиторами. Они могут быть как доминантными, так и рецессивными. Гены-супрессоры известны у животных (млекопитающие, птицы, насекомые) и у растений. Обычно они обозначаются I или Su в случае доминантного состояния генов и i или su для их рецессивных аллелей (от английских слов inhibitor или supressor).
В настоящее время эпистаз делят на два типа: доминантный и рецессивный.
Под доминантным эпистазом понимают подавление доминантной аллелью одного гена действия аллельной пары другого гена.
Некоторые породы кур имеют белое оперение (белый леггорн, белый плимутрок и др.), другие же породы имеют окрашенное оперение (австралорп, ньюгемпшир, полосатый плимутрок и др.). Белое оперение разных пород кур определяется несколькими различными генами. Так, например, доминантная белая окраска определяется генами CCII (белые леггорны), а рецессивная белая – ccii(белые суссексы, белые минорки, белые плимутроки). Ген С определяет наличие предшественника пигмента (хромогена), т.е. окрашенность пера, его аллель с – отсутствие хромогена и, следовательно, неокрашенность пера птицы. Ген Iявляется подавителем действия гена С, аллель iне подавляет его действия. В присутствии даже одной дозы гена I в генотипе птицы действие генов окраски не проявится. Поэтому при скрещивании белых леггорнов CCIIс цветными породами ССii, как правило, доминирует белая окраска CCIi. При скрещивании белых плимутроков cciiс окрашенными породами ССii гибриды F1 оказываются окрашенными Ccii. Следовательно, у леггорнов белая окраска является доминантной, а у плимутроков – рецессивной.
Если же производится скрещивание белых леггорнов CCII c рецессивными белыми плимутроками ccii, то в первомпоколении цыплята оказываются тоже белыми CcIi. При скрещивании между собой гибридов F1 во втором поколении имеет место расщепление по окраске в отношении 13/16 белых: 3/16окрашенных. Как можно объяснить полученное отношение? Прежде всего данное отношение говорит о расщеплении по двум генам, это расщепление можно представить как 9(C-I-)+3(ссI-)+1(ссii)=13 и 3(С-ii), что соответствует формуле 9:3:3:1.
В клетках каждого организма находится определенное число хромосом. В одной хромосоме локализовано много генов. Хромосома со всеми находящимися в ней генами образует группу сцепления. Под сцеплением генов генетики понимают совместное наследование генов, локализованных в одной хромосоме.
Впервые сцепленное наследование признаков в дигибридном скрещивании обнаружили У.Бэтсон и Р.Пеннет у душистого горошка Lathyrusodaratus при изучении наследования окраски цветка и формы пыльцевых зерен. Бэтсон и Пеннет не обнаружили в F2 ожидаемого расщепления в отношении 9:3:3:1. Признаки не дали независимого наследования, они как бы «стремились» остаться в исходных, родительских комбинациях, а гены их – попасть в одну гамету. Авторы обозначили это явление как притяжение.
Понимание существа этого явления стало возможным лишь в результате работ Т. Моргана и его сотрудников А. Стертеванта, Г. Мёллера, К. Бриджеса и др. Т. Моргану принадлежит и сам термин «сцепление генов» в хромосоме и объяснение этого явления. Морган установил, что материальной основой сцепления является хромосома. Хромосома представляет собой отдельную материальную и функциональную единицу при редукционном делении клетки. И, следовательно, все гены, находящиеся в одной хромосоме, будут связаны между собой субстратом хромосомы, ее организацией и поведением в мейозе. Сцепление может быть обнаружено в любой из хромосом, несущей гены.
Для наследования сцепленных генов, Т. Морган и его ученики (1911 – 1916 гг.), проверили проявление третьего закона Менделя на мухах дрозофилах. Они учитывали две пары альтернативных признаков: серый (В) и черный (b) цвет тела и нормальные (V) и короткие (v) крылья. При скрещивании гомозиготных особей с серым цветом тела и нормальными крыльями с мухами с черным цветом тела и короткими крыльями получили единообразие гибридов первого поколения – мух с серым телом и нормальными крыльями. Подтвердился первый закон Менделя.
P: ♀BBVV х ♂bbvv
G: BVbv
F1 BbVv
Далее Морган решил провести анализирующее скрещивание гибридов первого поколения. Рецессивную гомозиготную самку он скрестил с дигетерозиготным самцом.
P: ♀bbvv х ♂BbVv
G: bvBVbv
F1 BbVvbbvv
50% 50%
Морган ожидал получить мух четырех разных фенотипов в равном количестве (по 25% согласно третьему закону Менделя), а получил – двух фенотипов (по 50% каждого). Морган пришел к выводу, что, поскольку у организмов генов много, а хромосом относительно мало, то, следовательно, в каждой хромосоме содержится большое количество генов и гены, локализованные в одной хромосоме, передаются вместе (сцепленно). Цитологические основы этого явления можно пояснить следующей схемой. Одна из пары гомологичных хромосом содержит два доминантных гена (BV), а другая – два рецессивных (bv). При мейозе хромосома с генами BV попадет в одну гамету, а хромосома с генами bv – в другую. Таким образом, у дигетерозиготного организма образуются не четыре типа гамет (когда гены расположены в разных хромосомах), а только два, и, следовательно, потомки будут иметь два сочетания признаков (как у родителей). Если гены, локализованные в одной хромосоме, передаются вместе всегда, то такое сцепление называется полным.
Однако при дальнейшем анализе сцепления генов было обнаружено, что в некоторых случаях оно может нарушаться. Если дигетерозиготную самку мухи дрозофилы скрестить с рецессивным самцом, результат будет следующий:
P: ♀BbVv х ♂bbvv
G: BVBvbVbv bv
F1 BbVvBbvvbbVvbbvv
41,5% 8,5% 8,5% 41,5%
Морган предполагал получить опять мух четырех фенотипов по 25%, а получил потомков четырех фенотипов, но в другом соотношении: по 41,5% особей с серым телом и нормальными крыльями и с черным телом и короткими крыльями и по 8,5% мух с серым телом и короткими крыльями и с черным телом и нормальными крыльями. В этом случае сцепление генов неполное, т.е. гены, локализованные в одной хромосоме, не всегда передаются вместе. Это связано с явлением кроссинговера, которое заключается в обмене участками гомологичных хроматид в процессе их конъюгации в профазе мейоза I. Кроссинговер у гетерозиготных организмов приводит к перекомбинации генетического материала.
Каждая из образовавшихся хроматид попадает в отдельную гамету. Образуются 4 типа гамет, но в отличие от свободного комбинирования их процентное соотношение будет неравным, так как кроссинговер происходит не всегда. Частота кроссинговера зависит от расстояния между генами: чем больше расстояние, тем чаще может происходить кроссинговер. Расстояние между генами определяется в процентах кроссинговера – 1 морганида равна 1% кроссинговера.
Практически расстояние между генами определяется путем анализирующего скрещивания изучаемых организмов. В опытах Моргана в случае скрещивания дигетерозиготной самки мухи дрозофилы с рецессивным самцом получено 83% потомков с комбинацией признаков, как у родителей, и 17% с перекомбинацией этих признаков. Первые образовались при слиянии некроссоверных гамет, в которых содержались хроматиды, не прошедшие кроссинговер. Вторые образовались из кроссоверных гамет, в которые попали хроматиды после кроссинговера. Следовательно, кроссинговер произошел в 17% и расстояние между этими генами равно 17 морганидам. Зная расстояние между генами, можно построить генетическую карту хромосомы. Она представляет собой отрезок прямой, на котором нанесен порядок расположения генов и указано расстояние между ними в морганидах.
Основные положения хромосомной теории наследственности:
• гены расположены в хромосомах линейно в определенных локусах (участках); аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах;• гены гомологичных хромосом образуют группу сцепления; число их равно гаплоидному набору хромосом;
• между гомологичными хромосомами возможен обмен аллельными генами (кроссинговер); расстояние между генами пропорционально проценту кроссинговера и выражается в морганидах.