 |
Хромосомная теория наследственности.
|
|
|
|
Американец Томас Гент Морган был противником Менделя и решил опровергнуть его исследования, проведенные на горохе. В качестве объекта исследования Морган выбрал кроликов. Но попечители Колумбийского университета сочли кроликов чересчур дорогими. Пришлось Моргану работать с крошечной плодовой мушкой – дрозофилой. Скупость снабженцев оказала науке неоценимую услугу! Помимо экономической выгоды и высокой скорости размножения (25 поколений в год), у дрозофилы (D. melanogaster) всего 4 пары хромосом (установлено, что у них признаки, наследуемые совместно (сцеплено), подразделяются на 4 группы, что совпадает с числом хромосом в гаметах мушки). У другой дрозофилы (D. virilis) 6 групп сцепления признаков и 6 пар хромосом. У кролика 22 хромосомы. Если бы Морган использовал кроликов, ему пришлось бы оценивать не 24=16 и 26=128 сочетаний хромосом после мейоза, а 222=4385000. Хромосомная теория наследственности еще долго не была бы открыта.
Группа Моргана подтвердила гениальное предвидение Вейсмана, связавшего наследственность с хромосомами на основании наблюдения соответствия между поведением хромосом при мейотическом делении и принципами наследования признаков. Результатом работ Моргана стали пять основных положений хромосомной теории наследственности.
1. Гены располагаются в хромосомах; различные (негомологичные) хромосомы содержат неодинаковое число генов; набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.
2. Аллельные гены занимают определенные и идентичные локусы гомологичных хромосом.
3. Гены располагаются в хромосоме в определенной последовательности по ее длине в линейном порядке.
4. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления признаков. При этом сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами.
|
|
|
5. Каждый биологический вид характеризуется специфическим набором хромосом – кариотипом.
Основные положения хромосомной теории наследственности поясняют опыты по дигибридному скрещиванию серой мухи, имеющей нормальные длинные крылья (генотип ААВВ) и черной мухи, имеющей короткие зачаточные крылья (генотип ааbb). В генетике заглавные буквы АВ - обозначают доминантные гены, а строчные буквы ab – рецессивные гены.
Все гибриды первого поколения были единообразные. Они имели серое тело и нормальные крылья (генотип АаВb), что подтверждало первый закон Менделя.
Если бы цвет тела и длина крыльев дрозофилы независимо комбинировали в соответствии с третьим законом Менделя, то при скрещивании гибридов первого поколения между собой (дети) должны рождаться 4 фенотипа мух гибридов второго поколения (внуки) в соотношении 9:3:3:1 (9-серое тело и длинные крылья, 3-серое тело и короткие крылья, 3-черное тело и длинные крылья, 1-черное тело и короткие крылья). Всего 12 серых и 4 черных мухи (3:1) или 12 длиннокрылых и 4 короткокрылых мухи (3:1), что явилось бы подтверждением третьего закона Менделя.
В действительности соотношение мух оказалось совсем другое. Черные длиннокрылые и серые короткокрылые мушки встречались гораздо реже, чем предполагалось. В основном появлялись серые мухи с длинными крыльями и черные короткокрылые (как их бабушки и дедушки) в соотношении почти (см. ниже) равном 3:1.
Рисунок 1 а. Сцепленное наследование цвета тела и длины крыльев плодовых мушек.
Первое скрещивание чистых родительских линий
генотипы │ │ │ │ │
родителей │ A A a a
│ │ │ │ │
Р │ │ │ │ │
│ B B b b
│ │ │ │ │
|
|
|
фенотипы │ серое тело (А) черное тело (а)
родителей │ длинные крылья (В) короткие крылья (b)
Р │
--------------------------------------------------------------
типы │ 1 │ 1 │
гамет │ A a
│ │ │
n │ │ + │
│ B b
│ │ │
--------------------------------------------------------------
варианты │ 1
генотипа │ │ │
гибридов │ A a
│ │ │ все серые длиннокрылые
F1 │ │ │
│ B b
│ │ │
Следовательно, независимое комбинирование признаков не является универсальным законом, и существуют признаки, наследуемые сцеплено друг с другом. На этом основании и были сделаны предположения о локализации генов некоторых неменделирующих признаков в одной хромосоме (рис. 1)
Рисунок 1 б. Сцепленное наследование цвета тела и длины крыльев плодовых мушек.
Второе скрещивание между гибридами первого поколения F1
генотипы │ │ │ │ │
F1 │ A a A a
│ │ │ │ │
│ │ │ │ │
│ B b B b
│ │ │ │ │
фенотипы │ серое тело серое тело
F1 │длинные крылья длинные крылья
--------------------------------------------------------------
типы │ 1│ 2│ 1│ 2│
гамет │ A a A a
│ │ │ │ │
n │ │ │ + │ │
│ B b B b
│ │, │ │, │
--------------------------------------------------------------
варианты │ 1 2 3 4
генотипа │ │ │ │ │ │ │ │ │
гибридов │ A A A a a A a a
│ │ │ │ │ │ │ │ │
F2 │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ B B B b b B b b
│ │ │ │ │ │ │ │ │
--------------------------------------------------------------
фенотипы │ 1- серое тело, длинные крылья \
гибридов │ 2-серое тело, длинные крылья - } 3
|
|
|
F2 │ 3-серое тело, длинные крылья /
│ 4-черное тело, короткие крылья- 1
Другое важнейшее открытие Моргана связано с объяснением одного "неудобного" факта, который "портил" стройную гипотезу о локализации генов окраски тела и длины крыльев в одной хромосоме. Почему, несмотря на сцепленное наследование цвета тела и длины крыльев, в фенотипе все-таки появлялись черные длиннокрылые и серые короткокрылые мушки, у которых признаки комбинировались независимо, подобно цвету и форме кожуры гороха в опытах Менделя?
Еще в 1909 году, бельгийский цитолог Янссенс наблюдал под микроскопом фигуры "хиазм" – перекрестов расходящихся хромосом при мейотическом делении клетки. Генетическое значение этих перекрестов понял Морган, высказавший мнение о том, что происходит разрыв и обмен участками (рекомбинация) гомологичных хромосом. При этом хромосомы меняются генами и формируются особи с новыми сочетаниями признаков (рекомбинанты). Перекрест или кроссинговер является важнейшим источником наследственной изменчивости. Особи с измененными соотношениями признаков называются рекомбинантными.
В одинаковых условиях (температура, возраст самки и др.) для каждой пары признаков, гены которых локализованы в одной хромосоме, частота кроссинговера – это величина постоянная. Так, по генам белых глаз и желтой окраске тела число кроссоверных гамет у дрозофилы 1,5%, по генам желтой окраски тела и коротким крыльям 47%. Морган выяснил, что сила сцепления при наследовании генов обратно пропорциональна расстоянию между ними в хромосоме (закон Моргана). Другими словами, чем дальше гены друг от друга в хромосоме, тем реже признаки, кодируемые этими генами, наследуются сцеплено, т.е. чаще происходит кроссинговер. Расстояние между невидимыми генами стали определять в морганидах. Одна морганида соответствует такому расстоянию между генами, когда кроссинговер происходит в 1% гамет. В рассмотренном выше примере, у мух с длинными крыльями и серым телом кроссинговер происходил в 17% случаев, следовательно, ген серой окраски тела находится на расстоянии 17 морганид от гена, определяющего длинные крылья.
|
|
|
Рисунок 2. Рекомбинация гомологичных хромосом, как механизм появления новых (рекомбинантных) фенотипов.
генотипы │ │ │ │ │
участников│ A a а a
анализи- │ │ │ │ │
рующего │ │ │ │ │
скрещива- │ В b b b
ния (2n) │ │ │ │ │
-------------------------------------------------------------
фенотипы │ серое тело черное тело
участников│ длинные крылья короткие крылья
анализи- │ (гетерозиготы) (гомозиготы)
рующего │ самки самцы
скрещива- │
ния │
-------------------------------------------------------------
│ │ │ ││ ││ ││ ││ ││ ││
мейоз │ A a АА аа АА аа Аа Аа
у гетеро- │удвоение │ │ ││ ││ конъюгация ││ ││ ││ ││
зиготных │ ДНК │ │ ││ ││ и ││ ││ ││ ││
самок │хромосом В b ВВ bb кроссинговер ВВ bb ВВ bb
│ │ │ ││ ││ ││ ││ ││ ││
-------------------------------------------------------------
типы │самки 1│ 2│ 3│ 4│ 1 │ самцы
гамет │ А а А а а (нет крос-
│ │ │ │ │ │ синговера)
n │ │ │ │ │ + │
│ В В b b b
│ │, │, │, │ │
│
-------------------------------------------------------------
фенотипы │1-серое тело, длинные крылья 41,5%
гибридов │2-серое тело, короткие крылья 8,5% ─┐рекомби-
│3-черное тело, длинные крылья 8,5% ─┘нанты 17%
│4-черное тело, короткие крылья 41,5%
Рисунок 3. Генетическая карта гомологичных хромосом дрозофилы (фрагмент)
│ │
коричневое тело * * желтое тело
│ │
волосатое тело * * гладкое тело
│ │
толстое тело * * тонкое тело
│ │
слияние жилок * * сплетение жилок
│ │
│ │
рубиновые глаза * * розовые глаза
│ │
миниатюрные крылья * * миниатюрные крылья *
│ │
центромера 0 0 центромера
│ │
* гомозиготное состояние аллельных генов
На рисунке 3 представлены участки двух гомологичных хромосом дрозофилы. Такая картина (с указанием расстояния между генами в морганидах) называется генетической картой. Генетические карты являются основой современной генной инженерии. Они позволяют оценивать потенциальные возможности получения рекомбинантных организмов с заданным сочетанием свойств. Имея, например, генетическую карту продуцента антибиотиков, можно оценить возможность получения рекомбинантов, способных жить на дешевой питательной среде, в "спартанских" условиях и давать большое количество лекарственного сырья.
|
|
|
Генетические закономерности, описываемые хромосомной теорией наследственности, вытекают из факта хромосомной локализации генов и объясняют ряд случаев неменделирующего наследования.
Взаимодействие аллельных генов, т.е. генов из одинаковых локусов гомологичных хромосом, проявляется в формах доминирования, кодоминирования, неполного доминирования, сверхдоминирования и аллельного исключения (см. лекцию Генетика 1).
Взаимодействие неаллельных генов характеризуется тем, что на проявление признака влияют гены, локализованные далеко друг от друга в одной паре хромосом или находящиеся в других негомологичных хромосомах. Основные формы взаимодействия неаллельных генов: "эффект положения", эпистаз, комплементарность, полимерия.
"Эффект положения". Функция гена изменяется в зависимости от того, какой у него сосед. Например, белки, определяющие резус-фактор крови Rh, синтезируются под контролем трех соседствующих генов, расположенных в первой паре хромосом. Каждый из них может быть доминантным C, D, E или рецессивным c, d, e. Лица с положительным Rh+-фактором могут иметь разные генотипы CDE/CDE, CDE/CDe, CDE/Cde, CDE/cde, cDE/CDE, cdE/CDe и т.д.
Если в одной хромосоме доминантный ген С находится рядом с доминантным геном Е (например, CDE/cDe), то образуется мало белка-антигена С и много белка-антигена Е, если около гена доминантного гена С нет доминантного гена Е (например, CDe/cDE), то наблюдается обратная картина: образуется много белка-антигена С и мало белка-антигена Е. Другими словами, доминантный ген С хуже проявляется в фенотипе, если рядом доминантный ген Е (влияние ближайшего соседа).
Эпистаз – это подавление одного гена другим. Эпистатические гены ингибируют (подавляют) работу гипостатических (подавляемых) генов. Примером рецессивного эпистаза (эпистатический ген активен только в гомозиготном рецессивном состоянии хх) у людей является "бомбейский феномен" – необычное наследование групп крови системы АВО. Как показано выше, при браке мужчины с первой группой крови О (генотип IОIО) и женщины с третьей группой крови В (генотип IBIB или IBIО) могут рождаться дети только с группой крови 0 или В (генотипы IОIО и IBIО). Иногда, из-за наличия неаллельного гена "х" из отдаленного локуса в рецессивном гомозиготном состоянии (хх), ген IB подавляется. Известен случай, когда родилась девочка с генотипом IBIО, имеющая не третью (В), а первую (0) группу крови ("неправильный фенотип"). Когда она выросла и вышла замуж за мужчину со второй группой крови (А), имевшего генотип IАIО, у нее родились две девочки. У одной была группа крови I(О)-генотип IО IО, и никто не удивился, а у второй группа крови IV (АВ)-генотип IАIB. Вот тут и начались неприятности. Откуда взялся аллель IB, ведь ни у мужа ни у его жены этого аллеля, согласно старым классическим представлениям, быть не должно. В подобных случаях альтернативой подозрения в супружеской неверности мог быть эпистаз (рис. 4.)
Рисунок 4. Рецессивный эпистаз у людей – "бомбейский феномен"
Комплементарность. Эта форма взаимодействия неаллельных генов заключается в том, что наблюдается развитие нового признака при взаимодействии неаллельных генов. Так, требуется наличия в генотипе особого сочетания двух пар неаллельных генов, кодирующих черный М+++ (меланин) и R красный пигменты, для того, чтобы развился новый признак –блеск волос (см таблицу 1).
Таблица 1. Комплементарное взаимодействие генов пигментации волос человека
┌─────────────┬─────────────────────────────────┐
│ генотип │ фенотип │
├─────────────┼─────────────────────────────────┤
│М+++ М+++ R R│ брюнет (волосы с глянцем) │
│М+++ М+++ R r│ брюнет (лоснящиеся волосы) │
│М+++ М+++ r r│ брюнет │
│М+++ М++ R R│ темный шатен (волосы с глянцем) │
│М+++ М++ R r│ темный шатен (лоснящиеся волосы)│
│М+++ М++ r r│ темный шатен │
│М+++ М+ R R│ темно-рыжий │
│М++ М++ R R│ темно-рыжий │
│М+++ М+ R r│ каштановый │
│М++ М++ R r│ каштановый │
│М+++ М+ r r│ шатен │
│М++ М++ r r│ шатен │
│М++ М+ R R│ темно-рыжий │
│М++ М+ R r│ шатен с рыжеватым оттенком │
│М++ М+ r r│ светлый шатен │
│М+ М+ R R│ ярко-рыжий │
│М+ М+ R r│ блондин с рыжеватым оттенком │
│М+ М+ r r│ блондин │
└─────────────┴─────────────────────────────────┘
Первый ген М контролирует образование черного пигмента меланина и представлен тремя аллелями: М+++ – много меланина, М++ – среднее количество меланина, М+ – мало меланина. Второй ген R определяет наличие красного пигмента и представлен двумя аллелями: R-есть красный пигмент и r-нет красного пигмента. Сочетание в генотипе четырех из пяти возможных генов дает всю гамму окраски волос у человека. При этом порядок доминирования следующий: М+++ > М++ > R > М+ > r (таблица 1.).
Полимерия. При полимерии доминантные гены из разных аллельных пар усиливают проявление одного признака в фенотипе. Так на проявление цвета кожи у людей разных рас оказывают влияние особые полигенные системы, состоящие из нескольких пар (5 или 6) неаллельных генов. Полимерные гены принято обозначать одной буквой латинского алфавита с цифровыми индексами, Например, негроид (черный цвет кожи): А1А2А3А4А5А1А2А3А5А5; европеоид (светлая кожа): а1а2а3а4а5а1а2а3а5а5; мулат (ребенок от брака европеоидов и негроидов промежуточного шоколадного цвета): А1А2А3А4А5а1а2а3а5а5. При браке мулатов их дети могут иметь оттенки кожи от классического негритянского, до классического европейского.
В последнее время укрепляется мнение о том, что кроме указанных форм взаимодействия генов имеется зависимость функционального проявления любого гена от генотипа в целом. По-видимому, все гены обладают в той или иной мере способностью влиять на другие гены и сами испытывают аналогичные модулирующие влияния со стороны близких и дальних соседей.
Интегральными показателями зависимости активности гена от генотипа в целом и от влияния среды обитания являются пенетрантность и экспрессивность генов. Пенетрантность – способность гена обеспечить развитие признака до такого состояния, когда его удается обнаружить с помощью имеющихся методов. Другими словами, это процент проявления в фенотипе носителей гена. Так, при синдроме Дауна 90% больных имеют плоское лицо 80%-монголоидный разрез глаз, 65%-открытый рот, 40%-короткий нос, т.о. пенетрантность лишних генов 21 хромосомы неодинакова. Экспрессивность – количественное проявление признака у данной особи (степень пенетрантности), например, избыточный вес у больных наследственными формами ожирения может быть 30% и 90%. На данных примерах проявляется полигенное наследование, т.е. формирование признака под влиянием генных комплексов – нескольких неаллельных генов. Различные комбинации этих генов дают почти бесконечное разнообразие фенотипов, которые в значительной мере определяют фундаментальное свойство – изменчивость.
|
|
|
