Лекции по биологии в 2-х кн. Ч. I. Цитология и генетика Под ред проф

74 2)
Лишь в 1900 г., спустя 34 года, те же закономерности вновь установили независимо друг от друга Ги Де Фриз в Голландии, Корренс в
Германии и Чермак в Англии. Вскоре, было показано, что закономерности, открытые Менделем, свойственны всем организмам, растениям и животным. Поэтому 1900 год можно считать годом второго рождения генетики.
Условно можно выделить следующие этапы Менделевского периода развития генетики:
I этап (1900-1920) – подтверждение законов Менделя на разных объектах.
Биохимик Гаррольд писал о распространенности алкаптонурии и изучил химические особенности. Значение: а) продемонстрировал действие законов
Менделя (Менделеские болезни, менделирующие признаки).
Б) впервые на химическом уровне показал блок гена.
2 этап (1920-1940). Создание хромосомной теории наследственности
Морганом и его учениками (Бриджес, Меллер, Стертвант). Заложены основы популяционной генетики (з-н Харди-Вайнберга).
3 этап (1940-1960). Развитие биохимической генетики, молекулярной генетики. 1944 г. Мак-Карти: ДНК – химический субстрат наследственности.
Бидл, Татум – «один ген – один фермент»
1953 г. Дж.Уотсон и Ф.Крик – модель ДНК – двунитчатая спираль. Еще раз доказали, что ДНК – субстрат наследственности и изменчивости.
Крик, Бреннер – генетический код.
4 этап (1960-1970) – развитие клинической цитогенетики. Денверская и
Парижская классификация хромосом. Цитогенетические основы синдрома
Дауна и Клайнфельтера).
5 этап (1980-2003) – развитие молекулярной генетики. Совокупная длина
ДНК в соматической клетке – 2 метра.
1980 – ПЦР.
1991 – программа «Геном человека». Секвенирование всего генома человека предложено Уотсоном.
6 этап – с 2003 г. – функциональная геномика, протеомика.
Основные понятия и термины современной генетики
Наследственность – это свойство живых систем передавать из поколения в поколение особенности морфологии, физиологии и индивидуального

75
Рис. 7.1. Локализация генов в хромосоме (Аллели: G и g локуса– гетерозиготное состояние по гену, локализованному в локусе 6q21.1: 6 пара гомологичных хромосом, длинное плечо, 2 сегмент, 1 субсегмент ).

76 развития в определенных условиях среды. свойство организмов повторять в ряду поколений сходные признаки. Благодаря наследственности родители и потомки имеют сходство в химическом составе тканей, характере обмена веществ, морфологических признаках и других особенностях. Вследствие этого каждый вид организмов воспроизводит себе подобных из поколения в поколение. Материальными носителями наследственности информации являются гены.
Ген - это участок молекулы ДНК, ассоциированный с регуляторными элементами и соответствующий одной единице транскрипции ( один полипептид или один белок). Ген - это функциональная единица наследственности, определяющая развитие какого-либо признака.
Геном - совокупность всех генов гаплоидного набора хромосом данного вида особей.
•Генотип - совокупность всех генов диплоидного набора хромосом.
•Фенотип – внешнее проявление генотипа, реализация генотипа в определенных условиях среды.
Гены находятся в хромосомах (рис. 7.1).
Гомологичные хромосомы- это хромосомы одинакового размера и морфологии, которые состоят из одних тех же генов, при этом одна из пары гомологичных хромосом является отцовской, другая- материнской.
Локус – термин, обозначающий местоположение конкретного гена в хромосоме. Оно постоянно для каждого гена.
•Аллель – это варианты одного и того же гена, обусловленные изменениями нуклеотидных последовательностей (м.б. одинаковыми или разными - альтернативными).
•Гомозигота - диплоид, содержащий одинаковые аллели данного гена в идентичных локусах гомологичных хромосом (н-р: DD, АА, rr, аа).
•Гетерозигота- диплоид, содержащий разные аллели данного гена в идентичных локусах гомологичных хромосом (н-р: Gg, Аа).
•Доминантный аллель определяет признак, проявляющийся как в гомо-, так и в гетерозиготном состоянии.
•Рецессивный аллель определяет признак, проявляющийся только в гомозиготном состоянии
Альтернативные аллели - разные состояния одного и того же гена (например, аллель А или аллель а).
Одинаковые аллели – одинаковые формы гена.
Основные закономерности свойств и признаков в поколениях были открыты Г.Менделем в опытах на горохе. Горох – самоопыляемое растение.
В своих опытах Мендель использовал гибридологический метод (скрещивал особей с различными генотипами).

77
Рис. 7.2. I закон
Менделя – единообразие гибридов I поколения, правило доминирования.
Рис. 7.3. II закон Менделя – закон расщепления.

78
Гибридизация – это скрещивание особей с различными генотипами.
Моногибридное скрещивание – скрещивание особей, различающихся по 1 паре альтернативных признаков.
Дигибридное - по двум парам.
Полигибридное – по многим парам.
Особенности гибридологического метода, использованные Менделем.
1)
Все эксперименты Мендель начинал только с чистыми линиями.
Чистые линии - это особи, не дающие расщепления по изучаемым признакам, и имеющие только один тип гамет. Примером чистых линий являются особи с генотипами по изучаемым признакам АА; ВВ; ааВВ; ААвв; аавв
2)
Мендель изучал наследование по отдельным признакам, а не по всему комплексу генов. Так, чистые линии гороха при моногибридном скрещивании отличались только по цвету (желтый и зеленый), при дигибридном – по двум признакам – по цвету и форме и т.д.
3)
Мендель проводил точный количественный учет наследования каждого признака в ряду поколений.
4)
Изучал характер потомства каждого гибрида в отдельности.
I закон Менделя – закон единообразия гибридов I поколения, правило
доминирования (рис.7.2).
При скрещивании гомозиготных особей, анализируемых по одной паре
альтернативных признаков, наблюдается единообразие гибридов I
поколения.
(Единообразие обусловлено доминированием аллеля А над аллелем а).
Затем Мендель скрестил гибридов I поколения между собой.
II закон Менделя – закон расщепления (рис.7.3).
При скрещивании гибридов I поколения во втором поколении
наблюдается расщепление в соотношении 3:1 ( по генотипу 1 : 2 : 1).
Особи, содержащие хотя бы один доминантный ген А, имели желтую окраску семян (явление доминирования), а оба рецессивных гена (аа) - зеленую. То есть появились формы, свойственные прародителям.
Впоследствии, в 1902 г., после открытия мейоза, Бэтсон для объяснения II закона Менделя предложил цитологическое обоснование и
гипотезу «чистоты» гамет:

79
Рис. 7.4. Цитологические основы законов Менделя. Гипотеза
«чистоты» гамет (Бэтсон, 1902 г.).
«Аллельные гены в гетерозиготном состоянии не изменяют друг друга, не смешиваются. В гамете может быть лишь один из пары аллельных генов, поэтому гаметы остаются «чистыми»».

80
Аллельные гены в гетерозиготном состоянии не изменяют друг друга,
не смешиваются. В гамете может быть лишь один из пары
аллельных генов, поэтому гаметы остаются «чистыми» (рис.7.4).
*Гамета чиста, т.к. в ней находится только одна хромосома.
*Вследствие независимого расхождения гомологичных хромосом и хроматид в мейозе из каждой пары аллелей в гамету попадает только один ген.
*Аллельные гены находятся в гетерозиготном состоянии.
*При оплодотворении гаметы, несущие доминантный и рецессивный признаки, свободно и независимо комбинируются.
Для объяснения результатов скрещивания, проведённого Менделем, Бэтсон в
1902 г. предложил, так называемую, гипотезу « чистоты гамет».
Изучив наследование 1 пары аллелей, Мендель решил проследить наследование 2-х признаков одновременно. Для этого он использовал гомозиготные растения гороха, различающиеся по 2-м парам альтернативных признаков: цвету (жёлтые и зелёные) и форме (гладкие и морщинистые. В результате в 1 поколении он получил все растения с жёлтыми гладкими семенами, т.е. было показано, что закон единообразия гибридов 1 поколения проявляется и при полигибридном скрещивании.
Затем он опять скрестил гибриды 1 поколения между собой. В потомстве оказалось:
9 частей - жёлтые гладкие
- генотип А_В_
3 части - жёлтые морщинистые
- генотип А_ вв
3 части - зелёные гладкие
-генотип аа В_
1 часть - зелёные морщинистые
- генотип аавв
Этот радикал служит основой для всех видов расщепления и взаимодействия аллелей. Его нужно хорошо запомнить.
Отсюда вытекает
III закон Менделя – закон независимого наследования и комбинирования.
(рис.7.5).
При скрещивании гомозиготных организмов, анализируемых по двум (или
более) парам альтернативных признаков, во 2-ом поколении наблюдается
независимое наследование и комбинирование признаков.
Мендель обнаружил, что признаки цвета и формы наследуются независимо друг от друга, а именно: В поколении F2: желтых семян - (9+3=12); зеленых
(3+1=4); т.е. 12:4=3:1. Такое же распределение наблюдалось по форме семян: гладких - (9+3=12); морщинистых - (3+1=4). 12:4=3:1. Т.е., и по цвету, и по форме соотношение сохраняется таким же, как и при обычном моногибридном скрещивании.
Независимое комбинирование признаков проявляется в том, что оба признака могут сочетаться в зиготе независимо друг от друга: 9:3:3:1 –

81
Рис. 7.5. III закон Менделя – закон независимого наследования и комбинирования признаков.

82
9 – оба признака доминантные
3 – один признак доминантный
3 – другой признак доминантный
1 – оба признака рецессивные
Точный количественный учёт признаков позволил Менделю выявить статистические закономерности при полигибридном скрещивании:
1. Количество возможных гамет равно 2
n
, где n – количество гетерозигот.
Например: по 3-м признакам генотип ААВвСс
Т.к. n = 2 ( гетерозиготы Вв и Сс ), то количество гамет 2 2
= 4.
При моногибридном скрещивании: АА n= 0 ( гетерозигот нет). 2 0
=
1 (Один тип гамет А).
АаввссДДКК n = 1 Аа n = 1 2
1
= 2. Получаем два типа гамет (А и а).
2. Число возможных зигот равно 2
n1
*2
n2
, где n1 - число гетерозигот у первого родителя, n2 – у второго.
3. При скрещивании гетерозиготных особей, отличающихся по нескольким параметрам альтернативных признаков, в потомстве наблюдается расщепление по фенотипу (3+1)
n
, где n – число анализируемых признаков.
При дигибридном скрещивании (3+1)
2
= 9+3+3+1.
На основе своих экспериментов Мендель впервые показал:
1)
наследственные задатки – дискретные единицы
2)
за каждый признак отвечает не один, а пара наследственных задатков.
3)
В этой паре один из генов является доминантным, другой – рецессивным.
4)
Наследственные задатки у потомков могут наследоваться и комбинироваться независимо друг от друга.
Оказалось, что не все признаки подчиняются законам Менделя.
Поэтому было предложено понятие менделирующих признаков, т.е. подчиняющихся законам Менделя. У человека более 1000 известных признаков наследуются по законам Менделя (голубые и карие глаза; цвет кожи; веснушки; преобладающая рука; абсолютный музыкальный слух ( дом.+, рец.-); волосы (курчавые волосы доминируют над прямыми волосами); группы крови; моногенные наследственные болезни) и т.д.
Анализирующее скрещивание
На практике для установления генотипа родительской особи, проявляющей доминантные признаки (которая может быть как гомо-, так и гетерозиготой), её скрещивают с рецессивной формой. Если от такого

83
Женские гаметы
м
у
ж
с
к
и
е
г
а
м
е
т
ы
Рис. 7.6.Схема скрещивания при неполном доминировании.
Рис. 7.7. Наследование групп крови системы АВО.

84 скрещивания все потомство окажется однородным, значит анализируемая особь гомозиготна (единообразие гибридов 1 поколения), если произойдет расщепление, то она гетерозиготна.
(Пример: мужчина купил чёрного американского дога и захотел выяснить, чистопородный ли он?
Если при скрещивании с рецес. геном все чёрные – пес чистопородный (в потомстве Аа), если появится расщепление 1:1 (Аа и аа = 50%:50%) – не чистопородный).
Причиной отклонения от законов Менделя являются летальные гены.
(АА –чёрные - гибнут, Аа –чёрные, аа – серые). В результате гибели эмбрионов с генотипом АА в родившемся потомстве будет расщепление по фенотипу не 3:1, а 2:1.
Но наиболее частой причиной отклонения от законов Менделя является взаимодействие аллелей генов. Различают взаимодействие аллелей одинаковых генов и разных генов.
Взаимодействие аллелей одинаковых генов
1. Полное доминирование: А>a – когда доминантный аллель полностью подавляет действие рецессивного аллеля (выполняются законы Менделя).
При этом гомозиготы по доминантному признаку и гетерозиготы фенотипически не отличимы (жёлтый горох).
2. Неполное доминирование АА=Аа=аа – домининтный аллель не полностью подавляет рецессивный аллель (рис.7.6).
В случае неполного доминирования расщепление по генотипу 1 : 2 : 1 совпадает с расщеплением по фенотипу 1 : 2 : 1 ( красн., розов., белый ).
3.
Сверхдоминирование. АА < Аа
Доминантный аллель в гетерозиготном состоянии проявляет себя сильнее, чем в гомозиготном. Например : АА – мухи менее плодовиты и живучи, чем
Аа. (рецессивная летальная мутация у мух, явление гетерозиса у растений).
Множественные аллели
Часто в гене может образоваваться несколько разных аллелей. Они возникают вследствие мутаций разных участков в пределах одного гена. Но в генотипе одного диплоидного организма могут находиться только 2 аллеля из серии множественных аллелей ( т.к. гомологичных хромосом две, например: аллель 1 сочетается с аллелем 4, и т.д.

85
D1 – мутация полипептида А белка Р.
D2 – мутация полипептида В белка Р.
Генотип D1D1 – полипептида А нет, белок P неполноценный
Генотип D2D2 – полипептида В нет, белок P неполноценный
Генотип D1D2 – имеется по половинной дозе обоих полипептидов, белок нормальный.
Нормальный белок Р.
Полипептид А
Полипептид В
Рис. 7.8. Взаимодействие аллелей ( А.- Межаллельная комплементация, Б. - Аллельное исключение).
А
Б

86
Основные закономерности множественного аллелизма
1.
Множественные аллели возникают в результате разных мутаций одного гена.
2.
В одном генотипе из всех серий множественных аллелей могут быть представлены только два аллеля.
3.
Множественные аллели могут взаимодействовать.
4.
Множественные аллели могут мутировать в прямом и обратном направлениях.
Примером множественных аллелей у человека могут быть аллели, ответственные за развитие групп крови системы АВО (рис.7.7). Группы крови у человека определяются по наличию на поверхности эритроцитов определённых антигенов. Гены групп крови принято обозначать буквой I.
(см. таблицу «Наследование групп крови системы АВО): аллель I
0
– на поверхности эритроцитов нет антигенов аллель I
А
- антиген А аллель I
В
–антиген В.
При сочетаниях I
0
I
0
– формируется I група крови
I
А
I
0
или I
А
I
А
– II группа крови
I
В
I
0
или I
В
I
В
– III группа
I
А
I
В
– IV группа крови
На этом примере мы видим явление кодоминирования.
4.Кодоминирование А1+А2=С
Оба аллеля (доминантные) равнозначны и в сочетании создают новый признак. Классический пример – 4 группа крови у человека .
5. Межаллельная комплементация (рис.7.8 А) – относится к достаточно редко встречающимся способом взаимодействия аллелей. В этом случае у организма формируется нормальный признак при наличии в генотипе двух мутантых аллелей. Рассмотрим пример: d1d1- мутация полипептида А – неполноценный белок. d2d2 – мутация полипептида В – неполноценный белок.
Но! при генотипе d1d2 будут синтезироваться оба полипептида и нормальный белок.
6. Аллельное исключение (рис.7.8 Б).
Когда в разных клетках у одной особи проявляются разные аллели.
Например, при инактивизации одной из аллелей Х-хромосомы у женщин на некоторых участках кожи отсутствуют потовые железы. Это участки с активной мутантной Х-хромосомой: Х*х - отсутствие потовых желез, х*Х – норма.

87
Рис. 7.9. Комплементарное взаимодействие аллелей.

88
Формирование сложных признаков предполагает необходимость взаимодействия аллелей разных генов, занимающих разные локусы (могут быть в разных хромосомах).
Виды взаимодействия аллелей разных генов
Различают три основных вида такого взаимодействия:
1.
Комплементарность.
2.
Эпистаз.
3.
Полимерия.
Комплементарность – такой вид взаимодействия доминантных аллелей разных генов, когда признак проявляется при одновременном присутствии в генотипе двух доминантных аллелей) (рис. 7.9.).
Чёрный цвет - СС, белый цвет - АА, СА - серые мыши.
Душистый горошек – пурпурный цвет А + В
У человека: Д – развитие улитки,
Е - развитие слух. нерва.
Д_ее - глухие ddE_ - глухие ddee - глухие
D_E_ - нормальный слух.
Эпистаз– это вид взаимодействия аллелей разных генов, при котором один аллель (может быть как доминантным, так и рецессивным) подавляет другой. В этом случае наличие доминантного аллеля А каким-то образом препятствует проявлению доминантного аллеля В, и признак не формируется. Такое взаимодействие аллелей разных генов принято называть эпистатическим. При доминантном эпистазе признак появится только при отсутствии аллеля А, при рецессивном – при отсутствии генотипа аа.
Примером эпистатического взаимодействия аллелей может быть подавление у многих видов развития окраски покровов, определяемое одним из аллелей, при наличии в генотипе другого аллеля в доминантном состоянии. Так, у тыквы доминантный аллель В определяет желтую, а рецессивный зеленую окраску. Однако окраска не развивается вообще, если в генотипе имеется эпистатический аллель А.
Окраска тыквы:
В - жёлтая вв –зелёная
А – нет окраски
В_аа – жёлтая вв аа – зелёная
А_ - нет окраски.

89
Рис. 7.10. Варианты возможных расщеплений генотипов при различных видах взаимодействия аллелей разных генов.
Комплементарность:
9 : 3 : 3 : 1 – окраска шерсти у собак, цвет глаз у дрозофилы,
форма гребня у кур
9 : 3 : 4 – окраска мышей
9 : 6 : 1 – форма плодов у тыквы
9 : 7 – окраска кукурузы, слух у человека
Эпистаз:
13 : 3 – окраска оперения у кур, Бомбейский феномен
12 : 3 : 1 – окраска масти у лошадей, наследование
близорукости у человека, окраска плодов тыквы
Полимерия :
15 : 1 – с кумулирующим эффектом – рост человека (по 5
см на каждый доминантный ген), пигментация кожи

90
В данном случае доминантный аллель одного гена (репрессор) подавляет действие доминантного аллеля другого гена.
Полимерия. Доминантные аллели разных генов влияют на степень проявления одного и того же признака. По полимерному типу взаимодействия у человека определяется интенсивность окраски кожных покровов, зависящая от уровня меланина. В геноме человека имеются четыре разных гена, отвечающие за этот признак. Их обозначают одной буквой (т.к. отвечают за развитие одного признак), но с разными символами, например, ген Р1, ген Р2, ген Р3, ген Р4. Максимальную пигментацию имеют представители негроидной расы, т.к. у них все аллели находятся в доминантном состоянии, формируя генотип Р1Р1 Р2Р2 Р3Р3 Р4Р4.
Минимальная пигментация кожи у европеоидов вследствие отсутствия доминантных аллелей (генотип 1р1 р2р2 р3р3 р4р4). Число доминантных аллелей может варьировать от 0 до 8, что обеспечивает разную интенсивность окраски кожи. Полимерное взаимодействие лежит в основе определения количественных признаков (рост, масса, возможно интеллект).
Варианты возможных расщеплений генотипов при всех видах взаимодействия неаллельных генов представлены на рис. 7.10.
Отсутствие необходимых данных о роли первичных продуктов многих генов в формировании сложных признаков часто не позволяет точно установить характер взаимодействия неаллельных локусов, участвующих в биохимических процессах и составляющих основу образованиях этих признаков. В одних случаях развитие признака при наличии двух аллелей разных генов в доминантном состоянии рассматривают как комплементарное взаимодействие, в других отсутствие признака, определяемого одним из аллелей при отсутствии другого аллеля в доминантном состоянии, расценивают как рецессивный эпистаз; если же признак развивается при отсутствии доминантного аллеля неаллельного гена, а в его присутствии не развивается, говорят о доминантном эпистазе.
Вероятно, само разделение взаимодействия аллелей на комплементарное и эпистатическое несколько искусственно, ибо во всех этих случаях сложный признак является результатом сочетания в генотипе определенных аллелей соответствующих генов, которые обеспечивают синтез продуктов, участвующих в цепи биохимических преобразований на разных уровнях формирования сложного признака.
Плейотропное действие гена – явление, когда один и тот же ген может действовать на различные признаки организма. Например, ген, определяющий рыжий цвет волос, одновременно обусловливает более светлую окраску кожи и появление веснушек.

91
Рис. 7.11. Эффект положения генов.
Генотип:
СсDdEe
Rh(+)
Генотип:
СсDdEe
Rh(-)

92
Особый вид представляет взаимодействие, обусловленное местом положения гена в системе генотипа, эффект положения (рис.7.11).
Непосредственное окружение, в котором находится ген, может сказываться на характере его экспрессии. Изменение активности гена, наблюдаемое при хромосомных перестройках, нередко связано с перемещением его в другую группу сцепления при транслокациях или изменением его положения в своей хромосоме при инверсиях. Особый случай, очевидно, представляет изменение экспрессии генов в результате деятельности подвижных генетических элементов, активирующих или угнетающих проявление генов, вблизи которых они встраиваются.
Наконец, большое значение в объединении генов в единую систему генотипа имеют регуляторные взаимодействия, обеспечивающие регуляцию генной активности. Продукты генов-регуляторов белки-регуляторы обладают способностью узнавать определенные последовательности ДНК, соединяться с ними, обеспечивая, таким образом, транскрибирование информации со структурных генов или препятствуя транскрипции.

93
Рис. 8.1. Сцепленное наследование генов окраски тела и состояния крыльев у плодовой мушки (опыты Моргана).

94

перейти в каталог файлов