Гомологичных хромосом

В зиготе человека вся наследственная информация дублирована в 23 парах гомологичных хромосом. В одной зиготе не может быть больше 2 аллельных генов, так как имеется только 2 гомологичные хромосомы. Одна гомологичная хромосома была получена из сперматозоида отца, другая из яйцеклетки матери.

Если участки ДНК в аналогичных локусах абсолютно одинаковы, то формирующийся организм с идентичными аллельными генами называется гомозиготным. Например, при браке двух людей с I группой крови (оба имеют по 2 идентичных гена I^О I^О), их дети не могут иметь кровь других групп.

Если аллельные гены в гомологичных хромосомах не идентичны, то формируется организм гетерозиготный по данному признаку. Например, у человека с группой крови II(A) генотип может быть гомозиготный (I^A I^A) или гетерозиготный (I^A I⁰).

В гетерозиготном организме возможны 5 форм взаимодействия аллельных генов, определяющие внешнее проявление признака: 1-доминирование, 2-неполное доминирование, 3-кодоминирование, 4-сверхдоминирование, 5-аллельное исключение.

При полном доминировании один (доминантный) аллельный ген всегда реализует свою наследственную информацию. Он не зависит от состояния второго аллельного гена. При транскрипции информационная РНК синтезируется только на матрице ДНК доминантного аллеля. Ген второй гомологичной хромосомы оказывается не востребованным и называется рецессивным. Примером полного доминирования может служить цвет семян гороха: если в генотипе есть один аллельный ген желтой окраски семян, то горошина будет желтого цвета, даже если второй ген кодирует зеленую окраску. Рецессивный аллель зеленого цвета может проявиться только, если ему "не мешают", т.е. когда обе гомологичные хромосомы несут "зеленые" гены. Это свойство рецессивных гомозигот используют для уточнения генотипа при анализирующем (возвратном) скрещивании (рис. 2.). Желтая горошина (доминантный фенотип) может иметь два генотипа:

1 - оба аллельных гена доминантны (доминантный гомозиготный генотип АА),

2 - один аллель доминантный, а другой рецессивный (гетерозигота Аа).

Зеленая горошина всегда имеет генотип (аа). Проводя скрещивание желтой и зеленой горошин, анализируют их потомство. Если среди потомства окажутся особи зеленого цвета, то анализируемая желтая горошина была гетерозиготной (Аа). Если все потомки желтые, то генотип был гомозиготный (АА).

Рисунок 2. Анализирующее скрещивание горошин с желтой окраской семян.

1 родители Р: АА -желтая + аа- зеленая

гаметы: А + а

потомки: только Аа -желтые 100%

2 родители Р: Аа (2n)-желтая + аа (2n)-зеленая

гаметы: А и а + а -зеленая

потомки: Аа -желтые 50% или аа -зеленые 50%

При неполном доминировании рецессивный ген снижает активность проявления доминантного. Он, как бы, "мешает" доминантному реализоваться, затрудняя транскрипцию и-РНК, нормальный доминантный ген не может себя полностью проявить в присутствии аномального рецессивного аллеля. В этом случае необходимый для нормального развития фермент синтезируется, но меньше чем в организме с 2 нормальными (доминантными) аллелями.

Во всех ранее рассмотренных случаях признак контролировался двумя аллельными генами. Известно, однако, немало примеров, когда один признак проявляется тремя и более вариантами – множественными аллелями. Так группа крови людей в системе АВ0 может быть 4 типов: I(0), II(A), III(B), IV(AB). Она, определяется уже 3 аллельными генами I^О, I^А, I^B (см. таблицу 1.)

Таблица 1. Генотипы групп крови системы AB0.

В данном примере гены I^А и I^B доминируют над геном I^О, но при их сочетании в одном геноме происходит кодоминирование, которое проявляется вариантом IV(AB) группы крови.

При сверхдоминировании действие доминантного гена в присутствии рецессивного усиливается. Например, увеличение гетерозиготности при отдаленном скрещивании повышает качество гибридного потомства (гетерозис).

При аллельном исключении в разных клетках особи активны разные аллельные гены. Например, у женщин в разных клетках активна или отцовская или материнская Х-хромосома, что защищает женщин от проявления гемофилии (плохой свертываемости крови).

Законы Менделя

Выдающийся вклад в науку монаха Грегора (в миру - Иоганн Мендель) состоит в экспериментальном доказательстве наличия единиц наследственности (генов) и описания их важнейших свойств. В частности, Мендель установил 3 основные закономерности, которые описывают правила наследования.

Прежде чем перейти к современной формулировке законов Менделя, необходимо уточнить понятие "признак", как отдельное свойство или качество, по которому одну особь можно отличить от другой. Так, цвет глаз - это признак, который может проявляется в альтернативных вариантах: зеленый, голубой, серый, карий и т.д.; форма кожуры – это признак, а варианты его проявления: гладкая и морщинистая.

I. Закон единообразия гибридов первого поколения: при скрещивании гомозиготных доминантных и гомозиготных рецессивных особей (чистых линий), все гибриды первого поколения единообразны по генотипу и фенотипу.

Пример: при скрещивании чистых линий желтого и зеленого гороха, Мендель получил гибриды первого поколения только желтого цвета. В данном случае желтая окраска семян является доминирующей над зеленой.

II. Закон расщепления альтернативных вариантов признака у гибридов второго поколения:при скрещивании гибридов первого поколения, полученных от чистых родительских линий, у гибридов второго поколения происходит расщепление (проявление в фенотипе) доминантных и рецессивных вариантов признака в соотношении 3:1.

Пример: после того как Мендель скрестил гибридные горошины первого поколения друг с другом, он обнаружил во втором поколении 152824 желтых горошин и 50576 зеленых (отношение 3,004:0,996 или, приблизительно, 3:1).

Прежде чем сформулировать 3 закон Менделя необходимо объяснить, что скрещивание, которое легло в основание 1 и 2 законов Менделя, оценивали по одному признаку – цвету семян. Такое скрещивание называют моногибридным. При формулировке 3 закона Менделя в результатах скрещивания учитывали 2, 3, 4 и более признаков: цвет семян, форму кожуры, длину стебля, форму листьев и т. д. Такое скрещивание называют дигибридным, тригибридным, тетрагибридным и т.д., а обобщенно полигибридным.

III. Закон независимого комбинирования признаков родителей у потомков: при полигибридном скрещивании гибридов первого поколения, полученных от чистых родительских линий, у гибридов второго поколения наблюдается независимое комбинирование (сочетание) признаков.

Пример. Проводя дигибридное скрещивание, т.е. оценивая 2 признака – окраску и форму кожуры гороха, Мендель установил, что эти признаки (окраска и форма) не зависят друг от друга. Все гибриды первого поколения от желтых и гладких (доминантный вариант) и зеленых и морщинистых (рецессивный вариант) были гладкие и желтые. У гибридов второго поколения расщепление по фенотипу было 9:3:3:1 (9-желтые гладкие, 3-желтые морщинистые, 3-зеленые гладкие, 1-зеленые морщинистые). Если сосчитать все желтые и зеленые горошины (независимо от формы семян) то их соотношение окажется 12:4 или 3:1. Если сосчитать все гладкие и морщинистые горошины (независимо от цвета) их соотношение окажется 12:4 или 3:1. В этом и заключается независимость комбинирования.

Открытие Менделя (1865 г.) прошло почти незаметно, но после возрождения менделизма Де Фризом, Корренсом и Чермаком (1900 г.) все осознали, что если существуют отдельные единицы наследственности, то основные известные тогда методы получения новых сортов растений и пород животных принципиально неверны. Считалось, что при гибридизации признаки смешиваются как кофе с молоком или как акварельные краски. Если признаки не смешиваются и не разбавляются, комбинируют независимо и случайно, а приобретенные в течение жизни особенности не наследуются, то селективная работа требует глубокого пересмотра. Многим ученым-селекционерам это не нравилось.

Основным доказательством несостоятельности открытых законов считали неменделирующие признаки. Вот два примера: от брака белой женщины и негра рождаются мулаты с промежуточной пигментацией кожи; цвет тела и длина крыльев мушки-дрозофилы не расщепляются во втором поколении в соотношении 3:1. С другой стороны, даже у такого сложного создания, как человек описано более 2000 менделирующих (т.е. подчиняющихся законам Менделя) признаков: размер глаз, толщина кожи, ямочки на щеках, группы крови и т.д.

Дело в том, что хотя результаты опытов Менделя свидетельствуют о передаче в ряду поколений единиц наследственности, они ничего не говорят о материальных носителях наследственности. Что "это" и где "это" расположено в клетках живых существ? Как объяснить неменделирующее наследование?

Следующий шаг сделал Август Вейсман, связав наследственность с хромосомами. Был замечен параллелизм наследования признаков и поведения хромосом клеточного ядра половых клеток. После мейотического деления число хромосом в одной клетке уменьшается в 2 раза; при расхождении к полюсам негомологичные хромосомы перемещаются независимо друг от друга и комбинируются в дочерних клетках случайным образом, как и признаки при полигибридном скрещивании; в результате оплодотворения хромосомы яйцеклетки и сперматозоида объединяются в удвоенном наборе зиготы.

Из этих наблюдений сделали выводы: 1 – развитие альтернативных вариантов признака объясняется локализацией их материальных носителей в гомологичных хромосомах, 2 – половые клетки, имея только одну гомологичную хромосому, несут один материальный носитель признака (гипотеза чистоты гамет), 3 – материальные носители наследуемых менделирующих признаков размещены в разных т.е. негомологичных хромосомах.

Эти выводы убеждают в хромосомной локализации материальных носителей наследственных признаков – генов (термин "ген" ввел Иогансен в 1909 г.).