Т ема 4.  ПОЛИГЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ СЛОЖНЫХ ПРИЗНАКОВ. ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ

Задачи :

• Познакомить с эффектами взаимодействия неаллельных генов (на примерах, известных генетической науке при полигенном наследовании).
• Научить объяснять причины явлений, наблюдаемых при разных формах взаимодействия неаллельных генов негомологичных хромосом, выявлять причины отличия этих эффектов друг от друга.
• Убедить в том, что взаимодействие двух или нескольких генов может привести к новообразованию (формированию нового свойства признака).

    

Зачастую признаки формируются при участии нескольких ге­нов, взаимодействие между которыми отражается на проявлении фенотипа.

Из классической генетики известно, что наиболее изученными являются три типа взаимодействия неаллельных генов: эпистаз, комплементарность и полимерия. Эти типы взаимодействия генов определяют многие наследуемые признаки и у человека.

Эпистаз — это такой тип взаимодействия неаллельных генов, при котором одна пара аллельных генов подавляет действие другой пары. Различают эпистаз доминантный и рецессивный. Доминант­ный эпистаз проявляется в том, что доминантный аллель в гомози-готном (АА) или гетерозиготном (Аа) состоянии подавляет прояв­ление другой пары аллелей. При рецессивном эпистазе ингибирующий ген в рецессивном гомозиготном состоянии (аа) не дает возможность проявиться эпистатируемому гену. Подавляющий ген называют геном-супрессором или ингибитором, а подавляемый — гипостатическим. Этот тип взаимодействия наиболее характерен для генов, участвующих в регуляции онтогенеза и иммунных сис­тем человека.

Примером рецессивного эпистаза у человека может служить «бомбейский» феномен. В Индии была описана семья, в которой родители имели вторую (АО) и первую (00) группы крови, а их дети — четвертую (АВ) и первую (00). Чтобы ребенок в этой се­мье имел группу крови АВ, мать должна иметь группу крови В, но никак ни О. Позже было выяснено, что в системе групп крови АВО имеются рецессивные гены-модификаторы, которые в гомозигот­ном состоянии подавляют экспрессию антигенов на поверхности эритроцитов. Например, человек с третьей группой крови на по­верхности эритроцитов должен иметь антиген группы В, но эпис-татирующий ген-супрессор в рецессивном гомозиготном состоянии h/h подавляет действие гена В, соответствующие антигены не об­разуются, и фенотипически проявляется группа крови 0. Гены-суп-рессоры наследуются независимо от генов, определяющих группы крови АВО.

Комплементарность — это тип взаимодействия генов, при кото­ром за признак отвечает несколько неаллельных генов. Разное со­четание доминантных и рецессивных аллелей в парах приводит к разному фенотипическому проявлению признака. Но во всех слу­чаях, когда гены расположены в разных парах хромосом, в основе расщеплений лежат цифровые законы, установленные Г. Менделем.

Чтобы человек имел нормальный слух, необходима согласован­ная деятельность нескольких пар генов, каждый из которых может быть представлен доминантными или рецессивными аллелями. Нормальный слух развивается только в том случае, если каждый из этих пар генов имеет хотя бы один доминантный аллель в диплоидном наборе хромосом. Если хотя бы одна пара аллелей пред­ставлена рецессивной гомозиготой, то человек будет глухим. Рас­смотрим этот тип взаимодействия генов на простом примере.

Предположим, что нормальный слух формирует две пары генов. В этом случае люди с нормальным слухом могут иметь генотип: ААВВ, ААВb, АаВВ, АаВb. Люди с наследственной глухотой долж­ны иметь генотип: aabb, Aabb, Aabb, aaBb, aaBB. Используя законы Менделя для дигибридного скрещивания, легко рассчитать, что глу­хие родители (aaBB x AAbb) могут иметь детей с нормальным слу­хом (AaBb), а родители с нормальным слухом при соответствую­щем генотипе (AaBb x AaBb) с высокой долей вероятности (более 40%) могут иметь глухих детей:

Полимерия — обусловленность определенного признака не­сколькими парами неаллельных генов, обладающих одинаковым действием. Такие гены называются полимерными. При кумулятив­ной полимерии число доминантных аллелей влияет на степень вы­раженности признака. Чем больше доминантных аллелей, тем бо­лее интенсивно выражен признак. По типу кумулятивной полиме­рии обычно наследуются признаки, которые можно выразить количественно (цвет кожи и волос, рост).

Цвет кожи и волос человека обеспечивается пигментом мелани­ном. Все цвета волос, за исключением рыжих, составляют непре­рывный ряд от темного до светлого и наследуются полигенно по типу кумулятивной полимерии. Считается, что различия в цвете волос обусловлены чисто количественными изменениями в содер­жании пигмента. Цвет рыжих волос определяется наличием пиг­мента феумеланина.

По типу кумулятивной полимерии наследуется пигментация кожи человека. На основе генетических исследований семей, чле­ны которых имеют разную интенсивность пигментации кожи, пред­положили, что цвет кожи человека определяется тремя или четырь­мя парами генов. Полимерные гены, как правило, обозначаются одинаковыми буквами, чтобы подчеркнуть однонаправленность их действия. При формировании признака не важно, какой паре генов принадлежат доминантные аллели, важно их количество. В таком случае генотип негра условно можно записать как АААААА, а ге­нотип белого — как аааааа. Светлокожие негры будут иметь гено­тип АААААа или АаАААА или другие сочетания А и а. Мулаты дол­жны соответствовать генотипу АаАаАа, чем больше а, тем светлее кожа мулата. Если упростить задачу и генотип, определяющий цвет кожи человека, обозначить не тремя парами генов, а двумя АаАа, то легко убедиться, что в браке людей с противоположным цветом кожи все дети будут мулатами:

Р: АААА х аааа         F: АаАа — мулаты

В браке двух мулатов (АаАа х АаАа) существует вероятность рождения детей с разным цветом кожи:

— негры (АААА), 1/16;

— светлокожие негры (АААа), 4/16;

— мулаты (АаАа), 6/16;

— светлокожие мулаты (Аааа), 4/16;

— белые (аааа), 1/16.

Таким образом, с определенной долей вероятности родители могут иметь детей с более светлой или более темной, чем у них, ко­жей, более светлыми или более темными волосами.

Плейотропия. Признание принципа взаимодействия генов наво­дит на мысль о том, что все гены так или иначе взаимосвязаны в сво­ем действии. Один ген оказывает влияние на работу других, следо­вательно, он может оказывать влияние на проявление не только од­ного, но и нескольких признаков. Такое множественное действие гена называют плейотропией. Наиболее ярким примером плейотропного действия гена у человека является синдром Марфана. Симптомами его являются удлиненные пальцы, высокий рост, гиперподвижность суставов, одна из форм близорукости и аневризм аорты.

Многие наследственные патологии обладают плейотропным дей­ствием. Гены обеспечивают определенные этапы метаболизма. Про­дукты метаболических реакций в свою очередь регулируют, а воз­можно, и контролируют другие метаболические реакции. Наруше­ния метаболизма на одном этапе отразятся на последующих этапах. В результате нарушение экспрессии одного гена окажет влияние на несколько элементарных признаков.

                                

 Т ема 5. СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ ГЕНОВ

Задачи:

1. Сформировать представление о сцепленном наследовании, группах сцепления, генетическом картировании.

2. Научить объяснять причины сцепленного наследования генов, а также нарушения сцепления между ними (в профазе первого мейотического деления).

3. Показать, что генетическое картирование позволяет установить истинное местоположение (локализацию) отдельных генов в хромосоме с целью дальнейшего воздействия на материальную основу наследственности.

Группы сцепления. Хромосомная теория наследственности бьша сформулирована и экспериментально доказана Т. Морганом и его сотрудниками. Согласно этой теории, гены находятся в хромосомах и расположены в них линейно. Гены, локализованные в одной хро­мосоме, называются сцепленными, наследуются вместе и образуют группу сцепления. Количество групп сцепления соответствует чис­лу пар гомологичных хромосом. У человека 46 хромосом: 22 пары аутосом и одна пара половых хромосом (XX или XY), следовательно, у женщины 23 группы сцепления, а у мужчины — 24, так как половые хромосомы мужчины (XY) не полностью гомологичны друг другу. Каждая из половых хромосом мужчины имеет гены, характерные только для Х-хромосомы и только для Y-хромосомы соответствен­но имеются группы сцепления Х-хромосомы и Y-хромосомы.

Теоретически различают два вида сцепления: полное и непол­ное. При полном сцеплении генов группа сцепления не нарушает­ся, и все гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются вместе. Это достаточно редкое явление. У человека оно не описано, а встречается у гетерогаметного пола тутового шелкопряда и дрозофилы. Неполное сцепление генов — наиболее часто встречающе­еся явление, которое характеризуется нарушением групп сцепле­ния в результате процесса кроссинговера.

Кроссинговер. Гены, локализованные в одной хромосоме и об­разующие группу сцепления, сцеплены не абсолютно. В зиготене профазы первого мейотического деления гомологичные хромосо­мы сливаются вместе с образованием бивалентов, затем в пахитене происходит Кроссинговер — обмен участками между хроматидами гомологичных хромосом. Кроссинговер является обязательным про­цессом и происходит в каждой паре гомологичных хромосом. Чем дальше друг от друга расположены гены в хромосоме, тем чаще меж­ду ними происходит Кроссинговер. Благодаря ему, возрастает раз­нообразие гамет с разным сочетанием генов. Например, пара гомо­логичных хромосом содержит сцепленные гены АВ и ab. В профазе мейоза гомологичные хромосомы конъюгируют и образуют бивалент: АВ//аЬ.

Если Кроссинговер меду генами А и В не произойдет, то в ре­зультате мейоза образуется два типа некроссоверных гамет: АВ и ab. Если Кроссинговер состоится, то получатся кроссоверные гаме­ты: Ab и аВ. т.е. группы сцепления изменятся. Чем более удалены друг от друга гены А и В, тем больше возрастает вероятность обра­зования кроссоверных гамет.

Если гены расположены на достаточном друг от друга расстоя­нии в большой хромосоме и между ними в мейозе происходят мно­гочисленные перекресты, то они могут наследоваться независимо.

Частота кроссинговера зависит не только от расстояния между генами. Известны и другие факторы, влияющие на рекомбинацию сцепленных генов. Так, для ряда локусов показано, что частота крос­синговера в мейозе возрастает с возрастом.

Генетические карты. Открытие кроссинговера позволило Т. Моргану и сотрудникам его школы в первые два десятилетия на­шего века разработать принцип построения генетических карт хро­мосом. Явление сцепления было использовано ими для локализа­ции генов, расположенных в одной хромосоме, и создания генных карт плодовой мушки Drosophila melanogaster. На генетических картах гены располагаются линейно друг за другом на определен­ном расстоянии, которое определяется в процентах кроссинговера или в морганидах (1% кроссинговера равен одной морганиде).

Для построения генетических карт у растений и животных про­водят анализирующие скрещивания, в которых достаточно просто рассчитать процент особей, образовавшихся в результате кроссин­говера, и построить генетическую карту по трем сцепленным генам. У человека анализ сцепления генов классическими методами не­возможен, поскольку невозможны экспериментальные бракосоче­тания. Для изучения групп сцепления и составления карт хромо­сом человека используют другие методы.

Сцепление генов в некоторых случаях может быть установлено обзором обширных родословных. Статистический анализ позволя­ет определить параметры сцепления. Компьютерные программы дают возможность определить наиболее вероятные частоты реком­бинаций сцепленных генов на основе анализа большого количества родословньк. Установленные частоты рекомбинаций в группах сцеп­ления позволяют построить генные карты по группам сцепления.

Пары генов или группы сцепления аутосомных генов невозмож­но соотнести с конкретными хромосомами на основе использова­ния только формально-генетического анализа родословных. Для ло­кализации генов используют морфологические маркеры хромосом.

Современные методы генетического картирования хромосом развивались на основе новых методов молекулярной биологии, ген­ной инженерии, гибридизации на препаратах хромосом с ДНК-зон­дами. Данные о сцеплении генов в хромосомах, полученные совре­менными методами картирования, достаточно хорошо согласуют­ся с первоначальными результатами, основанными на методах классической генетики.

В последние годы достигнуты большие успехи в выявлении сцеп­ления и в локализации локусов сцепления в определенных хромо­сомах. Построены цитологические карты генов хромосом челове­ка, в которых для каждого сегмента дифференциально окрашенной хромосомы показано, какие гены там находятся и на каком рассто­янии друг от друга. Число локализованных генов быстро растет. В настоящее время изучены все 24 группы сцепления. Со­гласно международной программе «Геном человека», к 2005 г. бу­дет картировано большинство генов.

Основные положения хромосомной теории наследственности:

— гены локализованы в хромосомах, расположены линейно вдоль хромосом в определенной последовательности;

— каждый ген занимает определенное место (локус) в хромосоме;

— в гомологичных хромосомах аллельные гены занимают одно и то же место;

 

 

- гены наследственно дискретны;

- гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совме­стно, образуя группу сцепления;

- число групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида;

- сцепление генов может нарушаться в процессе кроссинговера за счет образования рекомбинантных хромосом;

- частота кроссинговера зависит прежде всего от расстояния между генами; чем дальше гены друг от друга, тем чаще меж­ду ними происходит кроссинговер;

- гены относительно стабильны, но могут изменяться в резуль­тате мутационного процесса.

Т ема 6.  ГЕНЕТИКА ПОЛА

Задачи :

• Сформировать систему знаний о генетическом определении пола; сцепленном с полом наследовании отдельных признаков и заболеваний.
• Научить объяснять причины равной вероятности рождения лиц обоего пола, причин появления ряда наследственных патологий исключительно у представителей мужского пола.
• Сформировать познавательный интерес к изучению научных проблем, связанных с генетикой пола.

Хромосомный механизм, определяющий пол. В кариотипе че­ловека 46 хромосом (23 пары), из них 22 пары хромосом одинако­вы у мужчин и женщин (аутосомы), а по одной паре хромосом, на­зываемой половой, мужчины и женщины отличаются. Половые хро­мосомы женщины — XX, половые хромосомы мужчины — XY (см. главу 6). Половые хромосомы представлены в каждой соматичес­кой клетке индивида. При образовании гамет во время мейоза гомологичные половые хромосомы расходятся в разные половые клет­ки. Следовательно, каждая яйцеклетка имеет 22 аутосомы и 1 по­ловую хромосому Х (гаплоидный набор хромосом равен 23). Каждый сперматозоид также имеет гаплоидный набор хромосом (22 аутосомы и 1 половая). Половина сперматозоидов содержит Х-хромосому, другая половина — Y-хромосому.

Поскольку у женщин половые хромосомы одинаковы и все яй­цеклетки несут Х-хромосому, то женский пол у человека называют гомогаметным. У мужчин сперматозоиды различаются по наличию половых хромосом (X или Y), следовательно, мужской пол называ­ют гетерогаметным.

Пол человека определяется в момент оплодотворения. Женщи­на имеет один тип гамет (X) мужчина — два типа гамет (X и Y), причем они образуются в равной пропорции согласно законам мей­оза. При оплодотворении хромосомные наборы гамет объединяют­ся. В зиготе 22 пары аутосом и одна пара половых хромосом. Если яйцеклетка оплодотворена сперматозоидом с Х-хромосомой, то в зиготе пара половых хромосом XX. Из такой зиготы развивается девочка. Если яйцеклетка оплодотворена сперматозоидом с Y-xpo-мосомой, то набор половых хромосом в зиготе XY. Такая зигота даст начало мужскому организму. Таким образом, у человека пол буду­щего ребенка определяет мужчина, так как он гетерогаметен по по­ловым хромосомам. Соотношение полов при рождении по данным статистики соответствует примерно 1:1.

Наследование признаков, сцепленных с полом. Хромосомы Х и Y гомологичны, так как у них есть общие гомологичные участки, где локализованы аллельные гены. Однако эти хромосомы, несмот­ря на гомологию отдельных локусов, различаются по морфологии. Помимо общих участков Х- и Y-хромосомы имеют большой набор генов, по которым они различаются. В Х-хромосоме имеются гены, которые отсутствуют в Y-хромосоме, в свою очередь, в Y-хромосо-ме имеются гены, которых нет в Х-хромосоме. Таким образом, у мужчин в половых хромосомах имеются гены, которые не имеют второго аллеля в гомологичной хромосоме. В этом случае признак определяется не парой аллельных генов, как обычно менделирую-щий признак, а только одним аллелем. Такое состояние гена назы­вается гемизиготным. Признаки, развитие которых обус­ловлено одним аллелем, расположенным в одной из альтернатив­ных половых хромосом, называются сцепленными с полом. Они развиваются преимущественно у одного из двух полов. Эти при­знаки наследуются по-разному у лиц мужского и женского пола.

Признаки, сцепленные с Х-хромосомой, могут быть и рецессив­ными, и доминантными. Рецессивные признаки — гемофилия, даль­тонизм, атрофия зрительного нерва и миопатия Дюшена. Доминан­тные — рахит, не поддающийся лечению витамином D, и темная эмаль зубов.

Рассмотрим сцепленное с Х-хромосомой наследование на при­мере рецессивного гена гемофилии. У мужчины половые хромосо­мы XY. Ген гемофилии локализован в Х-хромосоме и не имеет ал­леля в Y-хромосоме, т. е. находится в гемизиготном состоянии. Сле­довательно, несмотря на то, что признак рецессивный, у мужчин он проявляется.

У женщин половые хромосомы XX. Признак определяется па­рой аллельных генов, поэтому гемофилия проявляется только в гомозиготном состоянии:

Основные формальные характеристики Х-сцепленного рецес­сивного наследования следующие. Обычно поражаются мужчины. Все их фенотипически здоровые дочери являются гетерозиготными носительницами, так как от отца в процессе оплодотворения получают X-хромосому:

Среди сыновей гетерозиготных матерей соотношение пораженных и непораженных 1:1.

Такое наследование получило название крисс-кросс (крест-на­крест), т. е. сыновья наследуют фенотипический признак матери, а дочери — отца.

Законы передачи признаков, сцепленных с Х-хромосомами, были впервые изучены Т. Морганом.

Помимо Х-сцепленных признаков, у мужчин имеются Y-сцепленные признаки, называемые голандрическими. Гены, определя­ющие голандрические признаки, локализованы в тех районах Y-xpo-мосом, которые не имеют аналогичных участков в Х-хромосоме.

Эти признаки также определяются только одним аллелем. Так как голандрические признаки определяются генами, нахо­дящимися только в Y-хромосоме, то выявляются они у мужчин и передаются от отца всем сыновьям. Голандрические признаки: во­лосатость ушей, перепонки между пальцами ног, ихтиоз (кожа имеет глубокую исчерченность и напоминает рыбью чешую).

Гомологичные районы Х- и Y-хромосом содержат аллельные гены. Они с равной вероятностью встречаются у лиц мужского и женского пола. К числу таких признаков относятся общая цвето­вая слепота (отсутствие цветового зрения) и пигментная ксеродер­ма — заболевание, при котором под влиянием ультрафиолетовых лучей на открытых частях тела образуются опухоли. Оба признака являются рецессивными. Признаки, которые определяются аллель-ными генами, находящимися в Х- и Y-хромосомах, наследуются как классические менделирующие признаки.

Наследование ограниченное и контролируемое полом. Призна­ки человека, наследование которых каким-то образом связано с полом, подразделяется на несколько категорий.

Одна из категорий — признаки, ограниченные полом. Развитие этих признаков обусловлено генами, расположенными в аутосомах обоих полов, но проявляющимися только у одного пола. Например, гены, определяющие ширину таза женщины, локализованы в ауто­сомах, наследуются и от отца, и от матери, но проявляются только у женщин. То же касается возраста полового созревания женских индивидов. Среди мужских признаков, ограниченных полом, мож­но назвать количество и распределение волосяного покрова на теле.

К иной категории относятся признаки, контролируемые полом или зависимые от пола. Развитие этих соматических признаков обусловлено генами, расположенными в аутосомах. Проявляются ониу мужчин и женщин, но по-разному. Например, у мужчин ран­нее облысение — признак доминантный, он проявляется у доми­нантных гомозигот (АА) и у гетерозигот (Аа). У женщин этот при­знак рецессивный и проявляется только у рецессивных гомозигот (аа). Для признаков, контролируемых полом, выраженность обус­ловлена в большой степени половыми гормонами.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: