Хромосомная теория наследственности. Основные положения
Хромосомная теория наследственности
Формирование хромосомной теории
В 1902—1903 гг. американский цитолог У. Сеттон и немецкий цитолог и эмбриолог Т. Бовери независимо друг от друга выявили параллелизм в поведении генов и хромосом в ходе формирования гамет и оплодотворения. Эти наблюдения послужили основой для предположения, что гены расположены в хромосомах. Однако экспериментальное доказательство локализации конкретных генов в конкретных хромосомах было получено только в 1910 г. американским генетиком Т. Морганом, который в последующие годы (1911—1926) обосновал хромосомную теорию наследственности. Согласно этой теории, передача наследственной информации связана с хромосомами, в которых линейно, в определенной последовательности, локализованы гены.
Морган и его ученики установили следующее:
1. Гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются совместно или сцепленно.
2. Группы генов, расположенных в одной хромосоме, образуют группы сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом у гомогаметных особей и п+1 у гетерогаметных особей.
3. Между гомологичными хромосомами может происходить обмен участками (кроссинговер); в результате кроссин-говера возникают гаметы, хромосомы которых содержат новые комбинации генов.
4. Частота кроссинговера между гомологичными хромосомами зависит от расстояния между генами, локализованными в одной хромосоме. Чем это расстояние больше, тем выше частота кроссинговера. За единицу расстояния между генами принимают 1 морганиду (1% кроссинговера) или процент появления кроссоверных особей. При значении этой величины в 10 морганид можно утверждать, что частота перекреста хромосом в точках расположения данных генов равна 10% и что в 10% потомства будут выявлены новые генетические комбинации.
5. Для выяснения характера расположения генов в хромосомах и определения частоты кроссинговера между ними строят генетические карты. Карта отражает порядок расположения генов в хромосоме и расстояние между генами одной хромосомы. Эти выводы Моргана и его сотрудников получили название хромосомной теории наследственности. Важнейшими следствиями этой теории являются современные представления о гене как о функциональной единице наследственности, его делимости и способности к взаимодействию с другими генами.
Таким образом, именно хромосомы представляют собой материальную основу наследственности.
Формированию хромосомной теории способствовали данные, полученные при изучении генетики пола, когда были установлены различия в наборе хромосом у организмов различных полов.
Генетика пола
Пол, как и любой другой признак организма, наследственно детерминирован. Важнейшая роль в генетической детерминации пола и в поддержании закономерного соотношения полов принадлежит хромосомному аппарату.
Рассмотрим хромосомное определение пола. Известно, что у раздельнополых организмов соотношение полов обычно составляет 1:1, т. е. мужские и женские особи встречаются одинаково часто. Это соотношение совпадает с расщеплением в анализирующем скрещивании, когда одна из скрещиваемых форм является гетерозиготной (Аа), а другая — гомозиготной по рецессивным аллелям (аа). В потомстве в этом случае наблюдается расщепление в отношении 1Аа:1аа. Если пол наследуется по такому же принципу, то вполне логично было бы предположить, что один пол должен быть гомозиготным, а другой — гетерозиготным. Тогда расщепление по полу должно быть в каждом поколении равным 1.1, что и наблюдается в действительности.
При изучении хромосомных наборов самцов и самок ряда животных между ними были обнаружены некоторые различия. Как у мужских, так и у женских особей во всех клетках имеются пары одинаковых (гомологичных) хромосом, но по одной паре хромосом они различаются. Такие хромосомы, по которым самцы и самки отличаются друг от друга, называют половыми хромосомами. Те из них, которые являются парными у одного из полов, называют X-хромосомами. Непарная половая хромосома, имеющаяся у особей только одного пола, была названа У-хромосомой. Хромосомы, в отношении которых между самцами и самками нет различий, называют аутосомами.
У птиц, бабочек и пресмыкающихся самцы являются гомога-метным полом, а самки —- гетерогаметным (типа XY или типа ХО). Половые хромосомы у этих видов иногда обозначают буквами Z и W, чтобы выделить таким образом данный способ определения пола; при этом самцы обозначаются символом ZZ, а самки — символом ZW или Z0.
Наследование признаков, сцепленных с полом
В том случае, когда гены, контролирующие формирование того или иного признака, локализованы в аутосомах, наследование осуществляется независимо от того, кто из родителей (мать или отец) является носителем изучаемого признака. Если же гены находятся в половых хромосомах, характер наследования признаков резко изменяется.
Признаки, гены которых локализованы в половых хромосомах, называются признаками, сцепленными с полом. Это явление было открыто Т. Морганом.
Хромосомные наборы разных полов отличаются по строению половых хромосом. Признаки, определяемые генами половых хромосом, называют сцепленными с полом. Характер наследования зависит от распределения хромосом в мейозе. У гетерогаметных полов признаки, сцепленные с Х-хромосомой и не имеющие аллеля в У-хромосоме, проявляются даже в том случае, когда ген, определяющий развитие этих признаков, — рецессивен.Пол организма определяется в момент оплодотворения и зависит от хромосомного набора образовавшейся зиготы. У птиц гетерогаметными являются самки, а гомогаметными — самцы.
Сцепленное наследование
Независимое комбинирование признаков (третий закон Менделя) осуществляется при условии, что гены, определяющие эти признаки, находятся в разных парах гомологичных хромосом. Следовательно, у каждого организма число генов, способных независимо комбинироваться в мейозе, ограничено числом хромосом. Однако в организме число генов значительно превышает количество хромосом.
В каждой хромосоме локализовано множество генов. Гены, локализованные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются вместе.
Совместное наследование генов X Морган предложил назвать сцепленным наследованием. Число групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом, поскольку группу сцепления составляют две гомологичные хромосомы, в которых локализованы одинаковые гены.
Способ наследования сцепленных генов отличается от наследования генов, локализованных в разных парах гомологичных хромосом. Так, если при независимом комбинировании дигибрид образует четыре типа гамет (АВ, Аb, аВ и аb) в равных количествах, то такой же дигибрид образует только два типа гамет: (АВ и аb) тоже в равных количествах. Последние повторяют комбинацию генов в хромосоме родителя.
Было установлено, однако, что кроме обычных гамет возникают и другие —Аb и аВ — с новыми комбинациями генов, отличающимися от родительской гаметы. Причиной возникновения новых гамет является обмен участками гомологичных хромосом, или кроссинговер.
Кроссинговер происходит в профазе I мейоза во время конъюгации гомологичных хромосом. В это время части двух хромосом могут перекрещиваться и обмениваться своими участками. В результате возникают качественно новые хромосомы, содержащие участки (гены) как материнских, так и отцовских хромосом. Особи, которые получаются из таких гамет с новым сочетанием аллелей, получили название кроссинговерных или рекомбинантных.
Частота (процент) перекреста между двумя генами, расположенными в одной хромосоме, пропорциональна расстоянию между ними. Кроссинговер между двумя генами происходит тем реже, чем ближе друг к другу они расположены. По мере увеличения расстояния между генами все более возрастает вероятность того, что кроссинговер разведет их по двум разным гомологичным хромосомам.
Расстояние между генами характеризует силу их сцепления. Имеются гены с высоким процентом сцепления и такие, где сцепление почти не обнаруживается. Однако при сцепленном наследовании максимальная величина кроссинговера не превышает 50%. Если же она выше, то наблюдается свободное комбинирование между парами аллелей, не отличимое от независимого наследования.
Биологическое значение кроссинговера чрезвычайно велико, поскольку генетическая рекомбинация позволяет создавать новые, ранее не существовавшие комбинации генов и тем самым повышать наследственную изменчивость, которая дает широкие возможности адаптации организма в различных условиях среды. Человек специально проводит гибридизацию с целью получения необходимых вариантов комбинаций для использования в селекционной работе.
Понятие о генетической карте
Т. Морган и его сотрудники К. Бриджес, А. Стертеванти Г. Меллер экспериментально показали, что знание явлений сцепления и кроссинговера позволяет не только установить группу сцепления генов, но и построить генетические карты хромосом, на которых указаны порядок расположения генов в хромосоме и относительные расстояния между ними.
Генетической картой хромосом называют схему взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. Такие карты составляются для каждой пары гомологичных хромосом.
Возможность подобного картирования основана на постоянстве процента кроссинговера между определенными генами. Генетические карты хромосом составлены для многих видов организмов.
Наличие генетической карты свидетельствует о высокой степени изученности того или иного вида организма и представляет большой научный интерес. Такой организм является прекрасным объектом для проведения дальнейших экспериментальных работ, имеющих не только научное, но и практическое значение. В частности, знание генетических карт позволяет планировать работы по получению организмов с определенными сочетаниями признаков, что теперь широко используется в селекционной практике.
Сравнение генетических карт разных видов живых организмов способствует также пониманию эволюционного процесса.
Основные положения хромосомной теории наследственности
Гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.
Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах.
Гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.
Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, благодаря нему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. При этом сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами.
Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом — кариотипом.
В клетках каждого организма находится определенное число хромосом. Генов в них очень много. У человека 23 пары (46) хромосом, генов около 100 000. Гены находятся в хромосомах. В одной хромосоме локализовано много генов. Хромосома со всеми находящимися в ней генами образует группу сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом. У человека 23 группы сцепления. Гены, находящиеся в одной хромосо- ме, сцеплены не абсолютно. Во время мейоза при конъюгации хромосом гомологичные хромосомы обмениваются частями. Это явление называют кроссинговером, который может произойти в любом участке хромосомы. Чем дальше расположены друг от друга локусы в одной хромосоме, тем чаще между ними может происходить обмен участками (рис. 76).
У мухи дрозофилы гены длины крыльев (V - длинные и v - короткие) и окраска тела (В - серая и b - черная) находятся в одной паре гомологичных хромосом, т.е. относятся к одной группе сцепления. Если скрестить муху, имеющую серый цвет тела и длинные крылья, с мухой черного цвета с короткими крыльями, то в первом поколении все мухи будут иметь серый цвет тела и длинные крылья (рис. 77).
В результате скрещивания дигетерозиготного самца с гомозиготной рецессивной самкой мухи будут похожи на родителей. Это происходит потому, что гены, находящиеся в одной хромосоме, наследуются сцепленно. У самца мухи дрозофилы сцепление полное. Если скрестить дигетерозиготную самку с гомозиготным рецессивным самцом, то часть мух будет похожа на родителей, а у
Рис. 76. Кроссинговер.
1 - две гомологичные хромосомы; 2 - их перекрест во время конъюгации; 3 - две новые комбинации хромосом.
другой части произойдет перекомбинация признаков. Такое наследование имеет место для генов одной группы сцепления, между которыми может произойти кроссинговер. Это пример неполного сцепления генов.
Основные положения хромосомной теории наследственности
. Гены находятся в хромосомах.
. Гены в хромосоме расположены линейно.
Рис. 77. Сцепленное наследование генов окраски тела и состояния крыльев у плодовой мухи.
Ген серого цвета (В) доминирует над геном черного цвета тела (b), ген длинных крыльев (V) - над геном коротких крыльев (v). В и V находятся в одной хромосоме.
а - полное сцепление генов вследствие отсутствия перекреста хромосом у самцов дрозофилы: РР - самка серая с длинными крыльями (BBVV) скрещена с черным короткокрылым самцом (bbvv); F 1 - серый самец с длинными крыльями (BbVv) скрещен с черной короткокрылой самкой (bbvv); F 2 - поскольку у самца не происходит кроссинговера, появятся два вида потомков: 50% - черных короткокрылых и 50% - серых с нормальными крыльями; б - неполное (частичное) сцепление признаков вследствие перекреста хромосом у самок дрозофилы: РР - самка с длинными крыльями (BBVV) скрещена с черным короткокрылым самцом (bbvv); F 1 - серая самка с длинными крыльями (BbVv) скрещена с черным короткокрылым самцом (bbvv). F 2 - поскольку у самки происходит кроссинговер гомологичных хромосом, образуются четыре типа гамет и появятся четыре вида потомков: некроссоверы - серые с длинными крыльями (BbVv) и черные короткокрылые (bbvv), кроссоверы - черные с длинными крыльями (bbVv), серые короткокрылые (Bbvv).
. Каждый ген занимает определенное место - локус.
. Каждая хромосома представляет собой группу сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом.
Между гомологичными хромосомами происходит обмен аллельными генами. Расстояние между генами пропорционально проценту кроссинговера между ними.
Вопросы для самоконтроля
1. Где находятся гены?
2. Что такое группа сцепления?
3. Чему равно число групп сцепления?
4. Как сцеплены гены в хромосомах?
5. Как наследуется признак длины крыльев и цвета тела у мухи дрозофилы?
6. Потомство с какими признаками проявится при скрещивании гомозиготной самки с длинными крыльями и серым цветом тела с гомозиготным черным самцом с короткими крыльями?
7. Потомство с какими признаками появится при скрещивании дигетерозиготного самца с гомозиготной рецессивной самкой?
8. Какое сцепление генов имеет место у самца дрозофилы?
9. Какое потомство будет при скрещивании дигетерозиготной самки с гомозиготным рецессивным самцом?
10. Какое сцепление генов имеет место у самки дрозофилы?
11. Каковы основные положения хромосомной теории наследственности?
Ключевые слова темы «Хромосомная теория наследственности»
гены
группа сцепления
длина
клетки
конъюгация
кроссинговер
крылья
линейно локус место муха
наследственность
обмен
окраска
организм пары
перекомбинация
поколение
положение
потомки
расстояние
результат
родители
самец
самка
скрещивание
тело
теория
участок
хромосомы
цвет
часть
человек
число
Хромосомный механизм определения пола
Фенотипические различия между особями разного пола обусловлены генотипом. Гены находятся в хромосомах. Есть правила индивидуальности, постоянства, парности хромосом. Диплоидный набор хромосом называют кариотипом. В женском и мужском кариотипе 23 пары (46) хромосом (рис. 78).
22 пары хромосом одинаковы. Их называют аутосомами. 23-я пара хромосом - половые хромосомы. В женском кариотипе одина-
Рис. 78. Кариотипы разных организмов. 1 - человека; 2 - комара; 3 растения скерды.
ковые половые хромосомы ХХ. В мужском кариотипе половые хромосомы XY. Y-хромосома очень мала и содержит мало генов. Сочетание половых хромосом в зиготе определяет пол будущего организма.
При созревании половых клеток в результате мейоза гаметы получают гаплоидный набор хромосом. В каждой яйцеклетке есть 22 аутосомы+Х-хромосома. Пол, образующий гаметы, одинаковые по половой хромосоме, называют гомогаметным полом. Половина сперматозоидов содержит - 22 аутосомы+Х-хромосома, а половина 22 аутосомы+Y. Пол, образующий гаметы, различные по половой хромосоме, называют гетерогаметным. Пол будущего ребенка определяется в момент оплодотворения. Если яйцеклетка оплодотворена сперматозоидом, имеющим Х-хромосому, развивается женский организм, если Y-хромосому - мужской (рис. 79).
Рис. 79. Хромосомный механизм образования пола.
Вероятность рождения мальчика или девочки равна 1:1 или 50%:50%. Такое определение пола характерно для человека и мле- копитающих. У некоторых насекомых (кузнечики и тараканы) нет Y-хромосомы. Самцы имеют одну Х - хромосому (Х0), а самки - две (ХХ). У пчел самки имеют 2n набор хромосом (32 хромосомы), а самцы - n (16 хромосом). У женщин в соматических клетках две половые Х-хромосомы. Одна из них образует глыбку хроматина, которая бывает заметна в интерфазных ядрах при обработке реактивом. Эта глыбка - тельце Барра. У мужчин тельце Барра отсутствует, потому что у них всего одна Х-хромосома. Если при мейозе в яйцеклетку попадает сразу две ХХхромосомы и такая яйцеклетка будет оплодотворена сперматозоидом, то зигота будет иметь большее число хромосом.
Например, организм с набором хромосом ХХХ (трисомия по Х- хромосоме) по фенотипу - девочка. У нее недоразвиты половые железы. В ядрах соматических клеток выделяются два тельца Барра.
Организм с набором хромосом ХХY (синдром Клайнфельтера) по фенотипу - мальчик. У него недоразвиты семенники, отмечается физическая и умственная отсталость. Есть тельце Барра.
Хромосомы ХО (моносомия по Х-хромосоме) - определяют синдром Шерешевского-Тернера. Организм с таким набором - девочка. У нее недоразвиты половые железы, малый рост. Нет тельца Барра. Организм, не имеющий Х-хромосомы, а содержащий только Y- хромосому - нежизнеспособен.
Наследование признаков, гены которых находятся в Х- или Y- хромосомах, называют наследованием, сцепленным с полом. Если гены находятся в половых хромосомах, они наследуются сцепленно с полом.
У человека в Х-хромосомах есть ген, определяющий признак свертывания крови. Рецессивный ген вызывает развитие гемофилии. В Х-хромосоме есть ген (рецессивный), который отвечает за проявление дальтонизма. У женщин две Х-хромосомы. Рецессивный признак (гемофилия, дальтонизм) проявляется только в том случае, если гены, отвечающие за него, будут находиться в двух Х-хромосомах: X h X h ; X d X d . Если в одной Х-хромосоме будет доминантный ген Н или D, а в другой - рецессивный h или d, то гемофилии или дальтонизма не будет. У мужчин одна Х-хромосома. Если в ней есть ген H или h, то эти гены обязательно проявят свое действие, потому что Y-хромосома не несет этих генов.
Женщина может быть гомозиготна или гетерозиготна по генам, локализованным в Х-хромосоме, но рецессивные гены проявляются только в гомозиготном состоянии.
Если гены находятся в Y-хромосоме (голандрическое наследование), то признаки, ими обусловленные, передаются от отца сыну. Например, через Y-хромосому наследуется волосатость ушей. У мужчин одна Х-хромосома. Все гены, находящиеся в ней, в том числе и рецессивные, проявляются в фенотипе. У гетерогаметного пола (мужского) большинство генов, локализованных в Х-хромосоме, находятся в гемизиготном состоянии, т. е. не имеют аллельной пары.
Y-хромосома содержит некоторые гены, гомологичные генам Х-хромосомы, например, гены геморрагического диатеза, общей цветной слепоты и др. Эти гены наследуются как через Х-, так и через Y-хромосому.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие правила хромосом имеются?
2. Что такое кариотип?
3. Сколько аутосом у человека?
4. Какие хромосомы у человека отвечают за развитие пола?
5. Какова вероятность рождения мальчика или девочки?
6. Как определяют пол у кузнечиков и тараканов?
7. Как определяют пол у пчел?
8. Как определяют пол у бабочек и птиц?
9. Что такое тельце Барра?
10. Как можно определить наличие тельца Барра?
11.Чем можно объяснить появление большего или меньшего числа хромосом в кариотипе?
12.Что такое сцепленное с полом наследование?
13. Какие гены у человека наследуются сцепленно с полом?
14. Как и почему проявляют свое действие рецессивные гены, сцепленные с полом у женщин?
15. Как и почему проявляют свое действие рецессивные гены, сцепленные с Х-хромосомой у мужчин?
Ключевые слова темы «Хромосомное определение пола»
аутосомы
бабочки
вероятность
волосатость ушей
гаметы
генотип
гены
гетерогаметный пол
глыбка хроматина
гомогаметный пол
дальтонизм
девочка
действие
женщина
зигота
индивидуальность
кариотип
кузнечики
мальчик
мейоз
млекопитающее
момент
моносомия
мужчина
набор
насекомые
наследование
носитель
обработка реактивом оплодотворение
организм
особь
парность
пары
пол
половые клетки
потомство
правила
признак
птицы
пчелы
развитие
различия
рождение
рост
свертывание крови семенники синдром Дауна
синдром Клайнфельтера
синдром Шершевского-Тернера
слепота
созревание
состояние
сочетание
сперматозоиды
сын
тараканы
тельце Барра
трисомия
Y-хромосома
фенотип
хромосома
Х-хромосома
человек
ядро
яйцеклетка
Открыта Г.Т. Морганом и его учениками в 1911-1926 г. Они доказали, что III закон Менделя требует дополнений: наследственные задатки не всегда наследуются независимо, иногда они передаются целыми группами - сцеплены друг с другом. Установленные закономерности расположения генов в хромосомах способствовали выяснению цитологических механизмов законов Грегора Менделя и разработке генетических основ теории естественного отбора. Такие группы могут перемещаться в другую гомологичную хромосому при конъюгации во время профазы 1 мейоза.
Положения хромосомной теории:
- 1)Передача наследственной информации связана с хромосомами, в которых линейно, в определенных локусах лежат гены.
- 2)Каждому гену одной гомологичной хромосомы соответствует аллельный ген другой гомологичной хромосомы.
- 3)Аллельные гены могут быть одинаковыми у гомозигот и разными у гетерозигот.
- 4)Каждая особь в популяции содержит только 2 аллели, а гаметы - одну аллель.
- 5)В фенотипе признак проявляется при наличии 2-х аллельных генов.
- 6)Степень доминирования у множественных аллелей возрастает от крайнего рецессивного до крайнего доминантного. Например, у кролика окраска шерсти зависит от рецессивного гена «с» - ген альбинизма. Доминантным по отношению к «с» будет ген «сh"» - гималайской (горностаевой) окраски - белое тело, разовые глаза, темные кончики носа, ушей, хвоста и конечностей. Доминантный по отношению к «сh» будет ген «сhс» - шиншилловый - светло-серый. Еще более доминантным будет ген «са» - агути, темной окраски. Самым доминантным будет ген С - черной окраски, он доминирует над всеми аллелями - С, са, сhс, сh, с.
- 7)Доминантность и рецессивность аллелей не абсолютны, а относительны. Один и тот же признак может наследоваться по доминантному ИЛИ рецессивному типу. Например, наследование эпикантуса у негроидов - доминантно, у монголоидов - рецессивно, у европеоидов - отсутствует эта аллель. Заново возникающие аллели рецессивны. Старые - доминантны.
- 8)Каждая пара хромосом характерна определенным набором генов, которые составляют группы сцепления, часто наследуются совместно.
- 9)Число групп сцепления равно числу хромосом в гаплоидном наборе.
- 10)Перемещение генов из одной гомологичной хромосомы в другую в про фазе 1 мейоза происходит с определенной частотой, которая обратно пропорциональна расстоянию между генами - чем меньше расстояние между генами, тем больше сила сцепления между ними, и наоборот.
- 11)Единицей расстояния между генами является морганида, которая равна 1 % кроссинговерного потомства. Например, ген резус-фактора и ген овалоцитоза расположены друг от друга на 3 морганиды, а ген дальтонизма и гемофилии - на 10 морганид.
Положения хромосомной теории были доказаны цитологически и экспериментально Морганом на плодовой мушке дрозофиле.
Наследование признаков, гены которых находятся в Х и У - половых хромосомах, называется наследованием, сцепленным с полом. Например, у человека в Х-половой хромосоме находятся рецессивныe гены дальтонизма и гемофилии. Рассмотрим наследование гемофилии у человека:
h - ген гемофилии (кровоточивости);
Н - ген нормальной свертываемости крови.
Рецессивный признак проявляется у мальчиков, у девочек он подавляется аллельным доминантным Н-геном.
Наследование признака происходит перекрестно - от пола к полу, от матери - сыновьям, от отца - дочерям.
Внешнее проявление признака - фенотип - зависит от нескольких условий:
- 1)наличия 2-х наследственных задатков от обоих родителей;
- 2)от способа взаимодействия между аллельными генами (доминантный, рецессивный, кодоминирование);
- 3)от условий взаимодействия между неаллельными генами (комплементарное, эпистатическое взаимодействие, полимерия, плейотропия);
- 4)от места расположения гена (в аутосоме или половой хромосоме);
- 5)от условий внешней среды.
1) Гены находятся в хромосомах.
2) Гены в хромосомах расположены линейно друг за другом и не перекрываются.
3) Гены, расположенные в одной хромосоме, называются сцепленными и составляют группу сцепления. Поскольку в гомологичные хромосомы входят аллельные гены, отвечающие за развитие одних и тех же признаков, в группу сцепления включают обе гомологичные хромосомы; таким образом, количество групп сцепления соответствует числу хромосом в гаплоидном наборе. В пределах каждой группы сцепления вследствие кроссинговера происходит перекомбинирование генов.
4) Закон Моргана – «Гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются совместно».
Полное сцепление генов. Если гены расположены в хромосоме непосредственно друг за другом, то кроссинговер между ними практически невероятен. Они почти всегда наследуются вместе, и при анализирующем скрещивании наблюдается расщепление в соотношении 1:1
Неполное сцепление генов. Если гены в хромосомах расположены на некотором расстоянии друг от друга, то частота кроссинговера между ними возрастает и, следовательно, появляются кроссоверные хромосомы, несущие новые комбинации генов: Аb и аВ
Их количество прямо пропорционально расстоянию между генами. При неполном сцеплении в потомстве появляется некоторое количество кроссоверных форм, причем их количество зависит от расстояния между генами. Процент кроссоверных форм указывает на расстояние между генами, расположенными в одной хромосоме.
Взаимодействия неаллельных генов
Комплементарность – явление при котором ген одной аллельной пары способствует проявлению генов другой аллельной пары.
1) У душистого горошка есть ген А, обусловливающий синтез бесцветного предшественника пигмента – пропигмента. Ген В определяет синтез фермента, под действием которогo из пропигмента образуется пигмент. Цветки душистого горошка с генотипом ааВВ и АаЬЬ имеют белый цвет: в первом случае есть фермент, но нет пропигмента, во втором – есть пропигмент. но нет фермента, переводящего пропигмент в пигмент:
2) Новообразование признака – наследование формы гребня у кур некоторых пород. В результате различных комбинаций генов возникают четыре варианта формы гребня:
Pиc. Форма гребня у петухов: А – простой (aabb); Б – гороховидный (ааВВ или ааВВ); В – ореховидный (ААВВ или АаВЬ); Г – розовидный (ААЬЬ или Aabb)
Эпистаз – явление, при котором ген одной аллельной пары препятствует проявлению генов из другой аллельной пары, например развитие окраски плодов у тыквы. Окрашенными плоды тыквы будут только в том случае, если в генотипе-растении отсутствует доминантный ген В из другой аллельной пары. Этот ген подавляет развитие окраски, у плодов тыквы, а его рецессивная аллель b не мешает окраске развиваться (Aabb – желтые плоды; aabb – зеленые плоды; ААВВ и ааВВ – белые плоды).
Полимерия – явление, при котором степень выраженности признака зависим от действия нескольких различных пар аллельных генов причем чем больше в генотипе доминантных генов каждой пары, тем ярче выражен признак. У пшеницы красный цвет зерен определяется двумя генами: a1, a2;. Неаллельные гены обозначены здесь одной буквой А(а) потому, что определяют развитие одного признака. При генотипе А1А1А2А2 окраска зерен наиболее интенсивная, при генотипе а1а1а2а2 они имеют белый цвет. В зависимости от числа доминантных генов в генотипе можно получить все переходы между интенсивно красной и белой окраской:
Рис. 26. Наследование окраски зерен пшеницы (полимерия)
§ 5. Т. Г. Морган и его хромосомная теория
Томас Гент Морган родился в 1866 г., в штате Кентукки (США). Окончив в двадцать лет университет, в двадцать четыре года Морган удостаивается звания доктора наук, а в двадцать пять лет становится профессором.
С 1890 г. Морган занимается экспериментальной эмбриологией. В первом десятилетии 20-го века увлекается вопросами наследственности.
Звучит парадоксально, но Морган вначале своей деятельности был ярым противником учения Менделя и собирался опровергать его законы на животных объектах - кроликах. Однако попечители Колумбийского университета сочли этот опыт слишком дорогостоящим. Так Морган начал свои исследования на более дешевом объекте - плодовой мушке дрозофиле и затем не только не пришел к отрицанию законов Менделя, но и стал достойным продолжателем его учения.
Исследователь в опытах с дрозофилой создает хромосомную теорию наследственности - крупнейшее открытие, занимающее, по выражению Н. К. Кольцова , "то же место в биологии, как молекулярная теория в химии и теория атомных структур в физике".
В 1909-1911 гг. Морган и его не менее прославленные ученики А. Стёртевант, Г. Меллер, К. Бриджес показали, что третий закон Менделя требует внесения существенных дополнений: наследственные задатки не всегда наследуются независимо; порой они передаются целыми группами - сцепленно друг с другом. Такие группы, расположенные в соответствующей хромосоме, могут перемещаться в другую гомологичную при конъюгации хромосом во время мейоза (профаза I).
Полностью хромосомная теория была сформулирована Т. Г. Морганом в период с 1911 по 1926 г. Своим появлением и дальнейшим развитием эта теория обязана не только Моргану и его школе, но и работам значительного числа ученых, как зарубежных, так и отечественных, среди которых в первую очередь следует назвать Н. К. Кольцова и А. С. Серебровского (1872-1940).
Согласно хромосомной теории, передача наследственной информации связана с хромосомами , в которых линейно , в определенном локусе (от лат. locus - место), лежат гены. Поскольку хромосомы парны, то каждому гену одной хромосомы соответствует парный ген другой хромосомы (гомолога), лежащий в том же локусе. Эти гены могут быть одинаковыми (у гомозигот) или разным (у гетерозигот). Различные формы генов, возникающие путем мутации из исходного, называются аллелями , или аллеломорфами (от греч. алло - разный, морфа - форма). Аллели по-разному влияют на проявление признака. Если ген существует более чем в двух аллельных состояниях, то такие аллели в популяции * образуют серию так называемых множественных аллелей. Каждая особь в популяции может содержать в своем генотипе любые два (но не более) аллеля, а каждая гамета - соответственно лишь один аллель. В то же время в популяции могут находиться индивидуумы с любыми аллелями этой серии. Примером множественных аллелей могут служить аллели гемоглобина (см. главу I, § 5).
* (Популяцией (от лат. popularus - население) называется группа особей одного вида, объединенных взаимным скрещиванием, в той или иной мере изолированная от других групп особей данного вида. )
Степень доминирования в сериях аллелей может возрастать от крайнего рецессивного гена до крайнего доминантного. Можно привести большое число примеров такого типа. Так, у кроликов рецессивным геном серии множественных аллелей является ген с, обусловливающий развитие альбинизма * . Доминантным по отношению к этому гену будет ген c h гималайской (горностаевой) окраски (розовые глаза, белое тело, темные кончики носа, ушей, хвоста и конечностей); над этим геном, а также над геном с доминирует ген светло-серой окраски (шиншилловой) c ch . Еще более доминантной ступенью оказывается ген агути - с а (доминирует над генами с, c h и c ch). Самый доминантный из всей серии ген черной окраски С доминирует над всеми "нижними ступенями аллелей" - генами c, c h , c ch , с а.
* (Отсутствие пигмента (см. главу VII, § 5). )
Доминантность, как и рецессивность аллелей,- не абсолютное, а относительное их свойство. Степени доминантности и рецессивности могут быть различны. Один и тот же признак может наследоваться по доминантному или рецессивному типу.
Так, например, складка над внутренним углом глаза (эпикантус) у монголоидов наследуется доминантно, а у негроидов (бушмены, готтентоты) - рецессивно.
Как правило, заново возникающие аллели рецессивны, наоборот, аллели старых сортов растений или пород животных (еще в большей степени диких видов) - доминантны.
Каждая пара хромосом характеризуется определенным набором генов, составляющих группу сцепления. Именно поэтому группы разных признаков иногда наследуются совместно друг с другом.
Так как соматические клетки дрозофилы содержат четыре пары хромосом (2n = 8), а половые - вдвое меньше (1n = 4), то у плодовой мушки насчитывается четыре группы сцепления; аналогично этому у человека число групп сцепления равно числу хромосом гаплоидного набора (23).
Для ряда организмов (дрозофила, кукуруза) и некоторых хромосом человека * составлены хромосомные, или генетические, карты, представляющие собой схематичное расположение генов в хромосомах.
* (К настоящему времени установить точную локализацию генов человека (если принять во внимание общее число генов) удалось лишь в отдельных и относительно редких случаях, например для признаков, сцепленных с половыми хромосомами. )
В качестве примера приведем хромосомную карту части Х-хромосомы дрозофилы (рис. 24). С большей или меньшей точностью в этой карте отражены последовательность генов и расстояние между ними. Определить расстояние между генами удалось при помощи генетических и цитологических анализов кроссинговера, который происходит при конъюгации гомологичных хромосом во время зигонемы профазы I мейоза (см. главу II, § 7).
Перемещение генов из одной хромосомы в другую происходит с определенной частотой, которая обратно пропорциональна расстоянию между генами: чем меньше расстояние, тем выше процент перекреста (единица расстояния между генами названа в честь Моргана морганидой и равна минимальному расстоянию в хромосоме, которое может быть измерено путем кроссинговера). Кроссинговер изображен на рис. 25.
В настоящее время известно тесное сцепление некоторых локусов генов и для них вычислен процент пере-креста. Сцепленные гены определяют, например, проявление резус-фактора и генов MN-системы крови (о наследовании свойств крови см. главу VII, § 3). В отдельных семьях удалось проследить сцепление резус-фактора с овалоцитозом (наличие примерно 80-90% эритроцитов овальной формы - аномалия протекает, как правило, без клинических проявлений), которые дают около 3% перекреста. До 9% кроссинговера наблюдается между генами, контролирующими проявления групп АВО крови и фактором Lu. Известно, что ген, влияющий на аномалию строения ногтей и колена, также сцеплен с локусами АВО-системы; процент перекреста между ними около 10. Значительно лучше изучены группы сцепления (а следовательно, и хромосомные карты) Х- и Y-хромосом человека (см. главу VII, § 6). Известно, например, что тесно связаны между собой гены, определяющие развитие дальтонизма (цветовой слепоты) и гемофилии (кровоточивости); процент перекреста между ними равен 10.
Правильность гипотезы Моргана была подтверждена в начале века Куртом Штерном (цитологические исследования) и сотрудниками Моргана Теофилусом Пайнтером (цитологом) и Кальвином Бриджесом (генетиком) на гигантских хромосомах слюнных желез личинок дрозофилы (подобных гигантским хромосомам других двукрылых). На рис. 26 показана часть гигантской хромосомы слюнной железы личинки хирономуса (мотыля).
При изучении гигантских хромосом с помощью обычного светового микроскопа хорошо заметна поперечная исчерченность, образованная чередованием светлых и более темных полос дисков - хромомеров ; они образованы сильно спирализованными, плотно лежащими рядом друг с другом участками.
Формирование таких гигантских хромосом называется политенией , т. е. редупликацией хромосом без увеличения их числа. При этом редуплицированные хроматиды остаются рядом, плотно прилегая друг к другу.
Если хромосома, состоящая из пары хроматид, будет девять раз последовательно удваиваться, то число нитей (хромонем) в такой политенной хромосоме будет 1024. Благодаря частичной деспирализации хромонем длина такой хромосомы увеличивается по сравнению с обычной в 150-200 раз.
В 1925 г. Стертевант показал наличие неравного кроссинговера: в одной из гомологичных хромосом может оказаться два одинаковых локуса, в которых располагаются, например, гены, влияющие на форму глаза дрозофилы - Ваr, а в другой - ни одного локуса. Так получились мухи с резко выраженным признаком узких полосковидных глаз (ген Ultra Bar) (см. рис. 31).
Кроме цитологических доказательств правильности хромосомной теории, были проделаны генетические эксперименты - скрещивание разных рас дрозофилы. Так, среди множества сцепленных генов в плодовой мушке имеются два рецессивных гена: ген черной окраски тела (bleack ) и ген зачаточных крыльев (vestigial ).
Назовем их условно генами а и б. Им соответствуют два доминантных аллеля: ген серого тела и нормально развитых крыльев (А и Б). При скрещивании чистолинейных мух аабб и ААББ все первое поколение гибридов будет иметь генотип АаБб. Рассуждая теоретически, во втором поколении (F 2) следует ожидать следующих результатов.
Однако в небольшом, но постоянном проценте случаев встречались необычные потомки из необычных гамет. Таких гамет в каждом скрещивании наблюдалось около 18% (9% Аб и 9% аБ).
Появление таких исключений хорошо объясняется процессом кроссинговера. Таким образом, и генетические исследования позволили установить, что нарушение сцепления - кроссинговер, приводящий к увеличению изменчивости форм, статистически постоянен.
В заключение отметим, что целый ряд положений классической генетики на сегодняшний день претерпел ряд изменений.
Мы многократно употребляли термины "доминантные" и "рецессивные" гены (аллели) и признаки. Однако исследования последних лет показали, что так называемые рецессивные гены могут фактически полностью ими не быть. Правильнее сказать, что рецессивные гены дают очень слабое видимое или невидимое проявление в фенотипе. Но и в последнем случае рецессивные аллели, внешне незаметны в фенотипе, могут быть обнаружены при помощи специальных биохимических методик. Кроме этого, один и тот же ген при одних условиях среды может вести себя как доминантный, при других - как рецессивный.
Так как развитие всех организмов происходит в зависимости и под воздействием внешней среды, то и на проявление генотипа в определенном фенотипе влияют факторы среды (температура, пища, влажность и газовый состав атмосферы, ее давление, наличие патогенных для данного организма форм, химический состав воды, почвы и пр., а для человека и явления социального порядка). В фенотипе никогда не проявляются все генотипические возможности. Поэтому в разных условиях фенотипические проявления близких генотипов могут сильно отличаться друг от друга. Таким образом, в проявлении признака участвуют (в большей или меньшей степени) как генотип, так и среда.
