Наследование, сцепленное с полом

Половые хромосомы, обнаруженные у многих животных и растительных организмов, кроме функции определения пола, выполняют и другие функции, так как в них локализовано множество генов, контролирующих самые различные признаки. Гены, находящиеся в половых хромосомах, обусловливают своеобразную форму наследования, которое получило название сцепленного с полом.

Сцепленное с полом наследование было открыто Т. Морганом и послужило ярким доказательством локализации генов в хромосомах.

В опыте Моргана от скрещивания красноглазых самок дрозофилы с белоглазыми самцами все гибриды F₁ получились красноглазые, следовательно, ген красных глаз доминантен и его можно обозначитьW, а рецессивную аллель - w. В F₂ произошло расщепление в отношении 3 красноглазые мухи к 1 белоглазой. Но белоглазыми оказались только половина самцов, а все самки имели красные глаза. Последнее уже является отклонением от менделевских закономерностей. Но еще большее отступление было обнаружено в реципрокном скрещивании, когда родительские формы поменяли местами и взяли белоглазую самку и красноглазого самца. В этом варианте опыта расщепление произошло уже в первом поколении: все самки оказались красноглазыми, а самцы - белоглазыми, то есть дочери унаследовали признак отца, а сыновья - признак матери. Во втором поколении гибридов появилось 4 сорта мух в равных процентных отношениях: белоглазые самки, белоглазые самцы, красноглазые самки, и красноглазые самцы.

Такое своеобразное наследование хорошо объясняется, если предположить, что гены, обусловливающие цвет глаз, находятся только в Х-хромосомах. У самки дрозофилы две Х-хромосомы, а у самца половые хромосомы ХУ. Белоглазая самка в Х-хромосомах несет две рецессивные аллели и продуцирует только один сорт гамет (Х^w). Красноглазый самец имеет только одну Х-хромосому и, соответственно, одну локализованную в ней доминантную аллель - Х^W (в У-хромосоме аллелей окраски глаз нет). Как гетерогаметный пол, самец продуцирует два типа гамет в отношении половых хромосом: Х^W и Y. При слиянии гамет Х^w и Х^W образуется зигота Х^WХ^w, из которой развивается красноглазая самка, так как имеется доминантная аллель ^W. Соединение гамет Х^w и У дает генотип X^wY. Из такой зиготы получается белоглазый самец в связи с тем, что У-хромосома не содержит аллелей окраски глаз и все гены, локализованные в единственной Х-хромосоме мужского пола, даже рецессивные, сразу же проявляются в фенотипе.

Состояние гена, когда он находится в организме в единственном числе, называют гемизиготным.

Случаи сцепленного с полом наследования известны также и для человека. К ним относятся, например, дальтонизм, гемофилия, ихтиоз и др. Эти аномалии обусловливаются Х-рецессивными генами, и, соответственно, могут быть у лиц и мужского и женского пола.

Признаки также наследуются и через У-хромосомы. У человека, сцепленно с У-хромосомой наследуется гипертрихоз ушной раковины. Этот признак может быть только у лиц мужского пола, и передается от отца к сыну.

 

Наследственность и среда

Роль генотипа и внешней среды в проявлении признаков

Первоначально развитие генетики сопровождалось представлением о фатальности влияния наследственности на структуру, функцию и психологические признаки человека. Однако уже с конца XIX века многие исследователи отмечали, что свойства любого организма могут меняться под воздействием условий внешней среды.

Условия, в которых существует организм человека, могут модифицировать и полигенно детерминированные признаки. Например, рост ребенка контролируется целым рядом генов, регулирующих обмен гормонов, минералов, пищеварение и т.д. Но даже если изначально генетически определен высокий рост, а человек живет в плохих условиях (неполноценное питание, недостаток солнца, воздуха), это приводит к низкорослости. Ярким примером свидетельства влияния условий внешней среды на проявление генотипа у человека являются результаты исследования близнецов. Например, если развитие одного из близнецов монозиготной пары (однояйцовых, т.е близнецов с идентичной генетической конституцией) проходило в неблагоприятных социально-экономических условиях по сравнению с другим близнецом, то его физическое и интеллектуальное развитие будут существенно ниже, чем у близнеца, воспитанного в благоприятных условиях.

Таким образом, развитие любого организма зависит и от генотипа, и от факторов внешней среды.

Близнецовый метод в выявлении роли наследственности и среды

Для изучения величины наследуемости можно пользоваться близнецовым методом – это изучение генетических закономерностей на индивидах, рожденных в один день и от одних родителей.

Монозиготные, идентичные или однояйцевые близнецы – дети, развивающиеся из одной оплодотворенной яйцеклетки (зиготы), которая на стадии дробления делится на несколько частей. Такие особи генетически одинаковые, фенотипическое их различие вызвано факторами внешней среды.

Дизиготные, двуяйцевые или неидентичные близнецы формируются при оплодотворении нескольких яйцеклеток разными сперматозоидами. У таких особей только 50% общих генов и похожи они друг на друга как обычные дети одних родителей. Такие близнецы имеют одинаковые условия внутриутробного развития, часто значительное сходство окружающих факторов внешней среды, что отличает их от других сибсов в этой семье.

Из наблюдения за близнецами определили, что такие признаки, как группы крови, цвет волос, глаз, их форма, полностью определяются генотипом. Некоторые признаки зависят от наследственной предрасположенности (туберкулез, сахарный диабет и другие), некоторые от факторов среды.

Важным этапом при проведении исследований близнецовым методом является оценка сходства фенотипических характеристик в группах монозиготных и дизиготных близнецов.

Если какой-либо признак присутствует у всех индивидов из конкретной группы близнецов, то их называют конкордантными по этому признаку. Если же близнецы отличаются по определенной фенотипической особенности, то говорят об их дискордантности.

Степень конкордантности выражается в процентах (доля близнецов, совпадающих по признаку, по отношению ко всем обследованным группам близнецов).

При аутосомно-доминантных и аутосомно-рецессивных заболеваниях конкордантность монозиготных близнецов составляет 100%, так как они идентичны по своему генотипу.

В то же время конкордантность дизиготных близнецов в этих случаях равна 50% и 25% соответственно, как для братьев и сестер.

Развитие полигенных болезней с наследственной предрасположенностью зависит не только от генетических факторов, но и действия неблагоприятных условий внешней среды.

Соответственно, конкордантность монозиготных близнецов при этих патологических состояниях не достигает 100%, а обычно равна 40-60%. Такой уровень конкордантности демонстрирует значение факторов внешней среды в развитии конкретного заболевания. В то же время значительно более низкий уровень совпадения дизиготных близнецов по этому виду патологических нарушений (4-18%), по сравнению с монозиготными, показывает роль генетических особенностей организма в формировании этих признаков.

Близнецовый метод применяется для изучения многих широко распространенных заболеваний (сердечно-сосудистых, желудочно-кишечных, психических, злокачественных опухолей и т.д).

Норма реакции. Фенокопии

Термин «норма реакции» был предложен И.И.Шмальгаузеном в 30-х г. XXвека.

Норма реакции – диапазон, в пределах которого один и тот же генотип дает различные фенотипы под влиянием факторов окружающей среды. Норма реакции неодинакова для разных признаков и бывает широкой или узкой.

Узкая норма реакции характерна для признаков, фенотипическое проявление которых практически не меняется под влиянием факторов внешней среды (антигены группы крови, цвет глаз и т.д).

Широкая норма реакции – это большой диапазон, в пределах которого признак может модифицироваться при меняющихся факторах (изменение цвета кожи под воздействием ультрафиолетовых лучей, изменение массы тела в зависимости от разной калорийности питания и т.д).

Способность признаков изменяться под воздействием внешней среды повышает приспособляемость организма к неблагоприятным условиям жизни.

Иногда внешняя среда так воздействует на человека, что проявляется действие гена, которого на самом деле нет в генотипе. Такое состояние называется фенокопия.

Так, например, гидроцефалия - водянка головного мозга у ребенка может быть следствием унаследованного Х-сцепленного рецессивного заболевания или результатом заражения женщины во время беременности токсоплазмозом; слабоумие может быть обусловлено специфическим генотипом (например, генной или геномной мутацией), но может развиться при отсутствии йода в рационе ребенка или в результате повреждающего воздействия цитомегаловирусной инфекции на мозг плода во время внутриутробного развития.

Типы изменчивости

Изменчивость – свойство живых организмов приобретать новые признаки и особенности индивидуального развития, отличающиеся от родительских.

Различают ненаследственную изменчивость, или фенотипическую, и наследственную – генотипическую.

Классификация видов изменчивости приведена на рис.6.

 

При фенотипической изменчивости наследственный материал в изменения не вовлекается. Изменения касаются только признаков организма, происходят под влиянием факторов окружающей среды и не передаются по наследству.

Если по выраженности изменения в организме не выходят за пределы нормы реакции, подобные изменения называются модификациями.

Генотипическая изменчивость в зависимости от природы клеток подразделяется на генеративную (наследственные изменения в половых клетках) и соматическую (наследственные изменения в клетках тела). В рамках этих видов изменчивости выделяют комбинативную и мутационную изменчивость.

Комбинативная изменчивость имеет место при половом размножении. Каждое новое поколение имеет иное сочетание генов.

Мутационная изменчивость обусловлена мутациями (от лат.mutatio – перемена) – изменение генетического материала, и, как следствие, наследуемого признака.

Мутация – естественное природное явление, закрепленное отбором. Мутации влияют на структуру белков, которые определяются измененными генами.

Многие мутации не нарушают функциональные способности белков и являются нейтральными. Они увеличивают разнообразие человеческой популяции. Так, например, известно много различных, но функционально активных форм белков – гемоглобин, антигенов тканей и т.д. индивиды, имеющие нейтральные мутации, не подвергаются отбору.

В других случаях изменения наследственного материала приводит к отклонениям в функции белка. Иногда это оказывается полезным для организма, повышая его приспособленность к окружающей среде.

Если изменение наследственного материала сопровождается патологическим нарушением функции, то это приводит, либо к гибели организма, либо к развитию наследственного заболевания.

Процесс образования мутаций – мутагенез. Различают спонтанный и индуцированный мутагенез.

Спонтанные мутации (самопроизвольные) возникают при обычных физиологических состояниях организма без видимого дополнительного воздействия на организм внешних факторов. Они обнаруживаются в природе с определенной частотой. Примерно 10-25% гамет несут мутацию. Каждый 10-й человек несет спонтанную мутацию.

Индуцированные мутации–это мутации, вызванные направленным воздействием факторов внешней или внутренней среды.

Причинами, вызывающими мутации, могут быть различные факторы, их обозначают как мутагены.

По природе возникновения различают физические, химические и биологические мутагенные факторы.

К физическим мутагенным факторам относятся различные виды радиации (радиоактивное, лазерное, ультрафиолетовое излучение), радиоактивные элементы, как источники ионизирующего излучения, чрезмерно высокая или низкая температура.

Самая многочисленная группа – химические мутагены. К ним относятся: сильные окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода), пестициды (фунгициды, гербициды), лекарственные препараты (иммунодепрессанты, цитостатики, дезинфицирующие, психотропные), некоторые пищевые добавки (ароматические углеводороды, цикломаты) и другие химические соединения.

К биологическим мутагенам относят некоторые вирусы (кори, гриппа, краснухи, герпеса, клещевого энцефалита). Мутагенными свойствами обладают также некоторые вакцины, сыворотки, гормоны.

Типы мутаций

Мутации по изменению генетического аппарата могут быть: генные, хромосомные и геномные.

Генные мутации- мутирует часть гена (один нуклеотид) или весь ген.

Они бывают:

1. Нонсенс - смысловой кодон заменяется на бессмысленный.

Например:

А АА - лизин.

У АА - терминирующий кодон (замена 1-го нуклеотида А на У).

2. Миссенс - замена одного нуклеотида внутри триплета.

Например:

У Г Г - триптофан.

У У Г - лейцин (замена нуклеотида Г на У).

3. Самиссенс - замена нуклеотида с сохранением смысла.

Например:

УУ Г

(замена нуклеотида Г на А - лейцин)

УУ А

По характеру изменения генные мутации бывают:

- со сдвигом рамки

Например:

УУГЦАЦ (выпадение нуклеотида У);

УУАГЦАЦ (вставка нуклеотида А после У);

- без сдвига рамки

УУГЦАА (нуклеотид Г заменен на Ц).

Геномные и хромосомные мутации являются причинами возникновения хромосомных болезней.

Геномные мутации – это изменение числа отдельных хромосом (гетероплоидии или анеуплоидии) или плоидности - кратное гаплоидному числу (полиплоидии). Например, при синдроме Дауна в клетках больного обнаруживается 47 хромосом за счет появления лишней в 21 паре.

Основными механизмами, лежащими в основе анеуплоидий, являются нерасхождение хромосом во время клеточного деления при образовании половых клеток и утрата хромосом в результате «анафазного отставания».

Хромосомные мутации (хромосомные аберрации) – это структурные изменения отдельных хромосом.

Различают:

1. Делеции – утрата части одной хромосомы. Например, при синдроме

«кошачьего крика» кариотип больного 46 хромосом, делеция одной из хромосомы № 5 (укорочение на одну треть короткого плеча – 5р-).

2. Дупликации (удвоение) части хромосомы.

3. Инверсии – разрыв хромосомы и переворот оторвавшегося участка на

180°.

4. Транслокации – перенос хромосомы, либо части хромосомы, как

правило, на негомологичную хромосому. Если транслокация является реципрокной (взаимной) без потери участков вовлеченных в нее хромосом, то она называется сбалансированной. Она, как и инверсия, не вызывает патологических эффектов у носителя. Однако в результате сложных механизмов кроссинговера и редукции числа хромосом при образовании гамет у носителей сбалансированных транслокаций и инверсий могут образовываться несбаланстрованные гаметы.

Транслокация между двумя акроцентрическими хромосомами с потерей их коротких плеч приводит к образованию одной метацентрической хромосомы вместо двух акроцентрических. Такие транслокации называются робертсоновскими. Такие носители здоровы, потому что потеря коротких плеч двух акроцентрических хромосом компенсируется работой таких же генов в остальных акроцентрических хромосомах.

В случае концевых делеций в обоих плечах хромосомы возникает кольцевая хромосома. У индивида, унаследовавшего кольцевую хромосому от одного из родителей, будет частичная моносомия по двум концевым участкам хромосомы.

Иногда разрыв хромосомы проходит через центромеру. Каждое плечо, разъединенное после репликации, имеет две сестринские хроматиды, соединенные оставшейся частью центромеры. Сестринские хроматиды одного и того же плеча становятся плечами одной хромосомы. Со следующего митоза эта хромосома начинает реплицироваться и передаваться из клетки в клетку как самостоятельная единица наряду с остальным набором хромосом. Такие хромосомы называют изохромосомами. У них одинаковые по набору генов плечи.

Если хромосомная, геномная или генная мутация возникает в половых клетках здоровых родителей, то она может передаться потомкам, что приводит к возникновению наследственной болезни.

Когда мутация происходит в соматических клетках, заболевание развивается у индивида, в клетках которого произошла эта мутация, и она не передается потомкам больного.

Мутагенез и репарация ДНК

Среда обитания человека содержит много мутагенных факторов. Кроме того, изменение наследственных структур может произойти и без каких-либо внешних воздействий. Такие условия привели бы в конечном счете к гибели всего живого, если бы не существовало механизмов коррекции повреждений ДНК.

Процесс восстановления структуры ДНК после мутаций называется репарацией. Восстановление структуры ДНК обеспечивается целым рядом ферментов.

Различают три основных механизма репарации: фотореактивация, эксцизионная репарация, пострепликативная репарация (Ф.Фогель, А.Матульский, 1990г).

Примером одной из летальных мутаций, приводящей к гибели клетки, является образование «тиминовых димеров». Они часто формируются под воздействием ультрафиолетового облучения. При этом разрываются водородные связи между тимином и аденином в ДНК. Если тиминовые нуклеотиды расположены рядом друг с другом на одной нити ДНК, то они могут образовать водородные связи между собой. Подобная мутация делает невозможной репликацию ДНК.

Фотореактивация происходит с участием видимого света. Специальный фотореактивирующий фермент под влиянием световых лучей разрывает связи в тиминовых димерах и восстанавливает структуру ДНК.

Эксцизионная репарация не требует света. Принцип заключается в вырезании (эксцизии) измененного участка нити ДНК. Удаляется также и часть рядом расположенных нуклеотидов. По матрице сохранившейся неповрежденной нити ДНК восстанавливается нормальная последовательность нуклеотидов.

Пострепликативная репарация возможна в тех случаях, когда структура ДНК не восстанавливается каким-либо другим способом. Если начинается репликация измененного участка ДНК, то образуется только одна нормальная дочерняя ДНК с неповрежденной нити. Другая молекула ДНК будет иметь разрыв, соответствующий месту мутации. Тогда новая нормальная цепочка ДНК может послужить матрицей для закрытия «бреши» в другой молекуле по принципу комплементарности.

Дефекты функции ферментов, обеспечивающих репарацию ДНК, приводят к повышению вероятности мутаций в клетках. В настоящее время установлено несколько патологических состояний у человека, причиной которых являются нарушения механизмов репарации.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: