Як успадковуються гени розташовані в одній хромосомі

No Comments

§ 32. Явище зчепленого успадкування. Хромосомна теорія спадковості

Пригадайте, що таке кросинговер та аналізуюче схрещування. Що таке проміжний характер успадкування, кодомінантність і летальні алелі? Які хромосоми називають «гомологічними» й «негомологічними»? Як відбувається мейоз? Яка будова молекул ДНК?

Учені, намагаючись повторювати досліди Г. Менделя на різних організмах (не тільки на рослинах, а й на тваринах), часто спостерігали варіанти розщеплення, які не відповідали очікуваним згідно зі встановленими ним законами спадковості. Деякі з причин цього ми згадували раніше: це проміжний характер успадкування, кодомінантність, вплив летальних алелів. Крім того, однією з основних причин відхилень варіантів розщеплення від передбачених законами спадковості є явище зчепленого успадкування.

У чому проявляється явище зчепленого успадкування? Пригадайте: закон незалежного комбінування ознак базується на таких положеннях:

  • розвиток різних варіантів ознак зумовлений алельними генами, які розташовані в однакових локусах у гомологічних хромосомах;
  • гамети та інші гаплоїдні клітини, які мають по одній хромосомі з кожної пари гомологічних хромосом, несуть лише один алельний ген з певної їхньої кількості;
  • гени, які контролюють розвиток ознак, що успадковуються незалежно, розташовані в негомологічних хромосомах.

Запам’ятаємо: гени однієї хромосоми утворюють окрему групу зчеплення.

Мал. 164. Група зчеплення, позначена на генетичній карті хромосоми дрозофіли (цифрами позначені відповідні алельні гени): 1 – довгі вусики; 2 – короткі вусики; 3 – довгі крила; 4 – короткі крила; 5 – довгі лапки; 6 – короткі лапки; 7 – сіре тіло; 8 – чорне тіло; 9 – червоні очі; 10 – фіолетові очі; 11 – нормальні крила; 12 – редуковані крила; 13 – рівні крила; 14 – вигнуті крила; 15 – червоні очі; 16 – коричневі очі

Мал. 165. Томас Хант Морган (1866-1945): американський генетик, лауреат Нобелівської премії з фізіології та медицини 1933 року «За відкриття, пов’язані з роллю хромосом у спадковості». Т. X. Морган та його учні обґрунтували хромосомну теорію спадковості; встановили закономірності розташування генів у хромосомах; сприяли з’ясуванню цитологічних механізмів законів Г. Менделя

Запам’ятаємо: генетичними картами хромосом називають схеми, на яких показано порядок розташування генів у хромосомі та відносні відстані між ними. Такі карти мають не тільки теоретичний інтерес, а й широке використання у селекції та генній інженерії.

Кількість спадкових ознак організмів значно перевищує кількість їхніх хромосом у гаплоїдному наборі. Наприклад, у гаплоїдному наборі мухи дрозофіли усього чотири хромосоми, а кількість структурних генів, які визначають різні спадкові ознаки, становить близько 10 тис. Відповідно, у кожній хромосомі є не один, а багато генів. Таким чином, одночасно з ознаками, які успадковуються незалежно одна від одної, існують і такі, які успадковуються зчеплено, оскільки контролюються генами, розташованими в одній хромосомі.

На малюнку 164 наведено частину генетичної карти хромосоми мухи дрозофіли з позначенням груп зчеплення. Кількість таких груп в організмів певного виду дорівнює кількості нестатевих хромосом (аутосом) і типів статевих хромосом. Наприклад, у самки дрозофіли кількість груп зчеплення становить 4, тоді як у самців – 5 (оскільки X- та Y-хромосоми відрізняються за набором генів). Так само у жінок кількість груп зчеплення становить 23, а у чоловіків – 24.

Явище зчепленого успадкування досліджував видатний американський генетик Т.Х. Морган (мал. 165). Як свого часу Г. Мендель, Т.Х. Морган вдало обрав об’єкт для експериментів – муху дрозофілу (мал. 166). Цих комах легко утримувати в лабораторіях, для них характерні висока плодючість і швидка зміна поколінь (за оптимальних умов утримання нове покоління з’являється кожні півтора-два тижні), невелика кількість хромосом (у диплоїдному наборі – 8). Оскільки дрозофіла розвивається з повним перетворенням, є можливість вивчати активність генів на різних фазах розвитку.

Явище зчепленого успадкування Т.Х. Морган довів за допомогою такого досліду (мал. 167). Самців дрозофіли, гомозиготних за домінантними алелями забарвлення тіла (сіре) і форми крил (нормальна), він схрестив із самками, гомозиготними за рецесивними алелями відповідних генів (чорне забарвлення тіла й недорозвинені крила). Усі гібриди першого покоління, отримані від такого схрещування, були гетерозиготними за обома генами, мали сіре забарвлення тіла і крила нормальної форми. Щоб з’ясувати генотип гібридів першого покоління, Т.Х. Морган застосував аналізуюче схрещування: схрестив їх з особинами, гомозиготними за рецесивними алелями відповідних генів.

Мал. 166. Дрозофіла – класичний об’єкт генетичних досліджень: 1 – ділянка хромосоми; 2 – лялечка; 3 – доросла комаха (кольорами схематично показано гени й ознаки, розвиток яких вони визначають)

Мал. 167. Зчеплене успадкування деяких ознак (забарвлення тіла та форми крил) у дрозофіли

Теоретично серед нащадків, отриманих від такого схрещування, можна було очікувати два варіанти розщеплення. Якби гени, що визначають забарвлення тіла і форму крил, були розташовані в негомологічних хромосомах, тобто успадковувалися незалежно, розщеплення мало бути таким: 25 % особин із сірим тілом і нормальною формою крил, 25 % – із сірим тілом і недорозвиненими крилами, 25 % – із чорним тілом і нормальними крилами і 25 % – із чорним тілом і недорозвиненими крилами (тобто в співвідношенні 1 : 1 : 1 : 1). Але якби ці гени були розташовані в одній хромосомі й успадковувалися зчеплено, то серед нащадків можна було б очікувати 50 % особин із сірим тілом і нормальною формою крил і 50 % – із чорним тілом і недорозвиненими крилами (тобто у співвідношенні 1 : 1).

Практично отримані результати були такими: 41,5 % нащадків мали сіре тіло і нормальну форму крил, 41,5 % – чорне тіло і недорозвинені крила, 8,5 % – сіре тіло і недорозвинені крила і 8,5 % – чорне тіло і нормальну форму крил. Отримане внаслідок аналізуючого схрещування розщеплення за фенотипами, подібними до батьківських форм, наближувалося 1 : 1 (як у разі зчепленого успадкування). Але серед нащадків були й два інші варіанти фенотипів, які можна було б очікувати тоді, коли б гени забарвлення тіла і форми крил розташовувалися в негомологічних хромосомах та успадковувалися незалежно. Проте їхня кількість була занадто малою.

Як Т.Х. Морган пояснив отримані результати? Він припустив, що гени, які визначають забарвлення тіла мух і форму їхніх крил, розташовані в одній хромосомі, тож успадковуються зчеплено. Але під час утворення статевих клітин, у процесі мейозу, гомологічні хромосоми здатні обмінюватися своїми гомологічними ділянками (явище кросинговеру) (див. мал. 116). Кросинговер підсилює мінливість, забезпечуючи утворення нових варіантів поєднань алелів. При цьому можливий обмін декількома алельними генами або ділянками одного гена, обох або однієї нитки ДНК.

Дослідження кросинговеру дали можливість виявити закономірності, які стали підґрунтям для хромосомної теорії спадковості:

  • гени розташовані в хромосомі по її довжині в лінійному порядку, тобто один за одним;
  • різні хромосоми мають неоднакові набори генів, тобто кожна з негомологічних хромосом має свій унікальний набір генів;
  • кожний ген розташований у хромосомі у певному місці – локусі; алельні гени займають у гомологічних хромосомах однакові локуси;
  • усі гени однієї хромосоми утворюють групу зчеплення, завдяки чому відбувається зчеплене успадкування деяких ознак;
  • сила зчеплення між двома генами, розташованими в одній хромосомі, обернено пропорційна відстані між ними; що більша ця відстань, то частіше відбувається кросинговер;
  • у довгих хромосомах є гени, розташовані на їхніх різних полюсах; ознаки, які вони визначають, можуть успадковуватися незалежно, так само як і ознаки, що визначаються генами, розташованими в негомологічних хромосомах;
  • частота кросинговеру між двома генами, розташованими в одній хромосомі, є величиною відносно постійною для кожної конкретної пари генів; утім, на неї можуть впливати деякі фактори зовнішнього і внутрішнього середовища (зміни в будові окремих хромосом, які ускладнюють або унеможливлюють процес кросинговеру, висока або низька температура, рентгенівські промені, деякі хімічні сполуки тощо); у деяких організмів виявлено залежність частоти кросинговеру від віку (наприклад, у дрозофіли) або статі (миші, кури);
  • відносну постійність частоти кросинговеру між різними парами генів однієї групи зчеплення використовують як показник відстані між окремими генами, а також для визначення послідовності їх розташування в хромосомі. Зокрема, визначення частот кросинговеру між різними парами генів використовують для складання генетичних карт хромосом (див. мал. 164);
  • зчеплення між генами однієї групи порушується внаслідок обміну ділянками гомологічних хромосом у профазі першого мейотичного поділу (процес кросинговеру).

Цікаво знати

Відстань між двома генами однієї хромосоми вимірюють у сантиморганах (скорочено – сМ) (цю одиницю виміру названо на честь Т.Х. Моргана): 1 сантиморган відповідає такій відстані між двома генами, за якої процес кросинговеру відбувається в 1 гаметі з кожної сотні, тобто з імовірністю 1 % (1 сМ = 1 %). Слід зазначити, що за відстані в 50 морганід і більше гени успадковуються незалежно, так, наче вони розташовані в негомологічних хромосомах.

Запам’ятаємо: кросинговер є одним з джерел спадкової мінливості – комбінативної.

Яке значення хромосомної теорії спадковості? Результати досліджень Т.Х. Моргана і його співробітників стали підґрунтям для створення хромосомної теорії спадковості. Вона багато в чому визначила подальший розвиток не лише генетики, а й біології в цілому. Ця теорія, зокрема, дала змогу з’ясувати матеріальну основу законів спадковості, встановлених Г. Менделем, і те, чому в певних випадках характер успадкування тих чи інших ознак від них відхиляється.

Коротко про головне

Однією з причин відхилення варіантів розщеплення, очікуваних згідно із законами спадковості, встановленими Г. Менделем, є явище зчепленого успадкування. Воно базується на тому, що гени однієї хромосоми утворюють окрему групу зчеплення. Явище зчепленого успадкування довів американський генетик Т.Х. Морган за допомогою дослідів на дрозофілі. Ці досліди лягли в основу створеної ним зі співробітниками хромосомної теорії спадковості.

Дослідження явища зчепленого успадкування дозволило створювати генетичні карти хромосом – схеми, на яких показано порядок розташування генів у хромосомі та відносні відстані між ними.

Ключові терміни та поняття: зчеплене успадкування, група зчеплення, хромосомна теорія спадковості.

Перевірте здобуті знання

1. За яких умов виконується закон незалежного комбінування ознак? 2. Із чим пов’язане явище зчепленого успадкування ознак? 3. Чим визначається кількість груп зчеплення в організмів певного виду? 4. Яке біологічне значення кросинговеру? Які закономірності виявили вчені під час дослідження процесу кросинговеру? 5. Яке значення хромосомної теорії спадковості? 6. Як складають генетичні карти хромосом?

Поміркуйте

1. Поясніть, як можна довести, що гени розташовані в хромосомі в лінійному порядку. 2. Дрозофіла стала класичним об’єктом для генетичних досліджень. Поміркуйте, які ще тварини могли б стати класичним об’єктом генетичних досліджень.

§ 34. Зчеплення генів і кросинговер

У попередніх параграфах ми розглядали гени як елементарні носії генетичної інформації. Та чи інша комбінація алелів визначає прояв фенотипної ознаки. Проте не варто забувати, що гени є ділянками ДНК, а фізичним носієм ДНК є хромосоми. Закон незалежного успадкування Менделя може бути пояснений незалежним розподілом хромосом у процесі мейозу. Таким чином, розподіл алелів під час утворення гамет точно повторює поведінку хромосом у процесі мейозу.

Рис. 34.1. Дослід Томаса Моргана зі схрещування плодових мушок

Цифри позначають кількість особин з певним фенотипом.

Кількість генів значно перевищує кількість хромосом. Очевидно, що в одній хромосомі є сотні й навіть тисячі генів. Можна припустити, що гени, розташовані в одній хромосомі, мають тенденцію успадковуватися разом. Такі гени отримали назву зчеплених генів. Щоб дізнатися, як зчеплення генів впливає на генотипи нащадків, розглянемо успадкування двох генів плодової мушки, розташованих в одній хромосомі. Один із цих генів відповідає за забарвлення тіла, другий — за форму крил. Алель A відповідає за нормальне сіре забарвлення тіла, алель a — за чорне забарвлення, алель B — за нормальну форму крил, алель b — за вкорочені крила. При схрещуванні мушки із сірим тілом і нормальними крилами (генотип AABB) із мушкою з чорним тілом і вкороченими крилами (генотип aabb) усе потомство мало фенотип дикого типу: сіре тіло й нормальні крила * 1 (рис. 34.1). Такий перебіг схрещування відповідає закону одноманітності гібридів першого покоління. Потім мушок з отриманого потомства схрестили із чорними мушками з укороченими крилами. У потомстві були особини з усіма можливими комбінаціями забарвлення та форми крил, але явно переважали особини з фенотипами батьків, тобто із сірим забарвленням і нормальними крилами та з чорним тілом і короткими крилами.

Таким чином, ми спостерігаємо явне відхилення від розподілу 1 : 1 : 1 : 1, який диктує третій закон Менделя. Переважання в потомстві особин із батьківськими фенотипами (так званими нерекомбінантними фенотипами) можна пояснити розташуванням генів в одній хромосомі. Справді, якщо особина з генотипом AaBb містить домінантні алелі в одній хромосомі й рецесивні — в другій, то вона утворюватиме два типи гамет: AB та ab. Це пояснюється тим, що домінантні алелі разом потрапляють до однієї гамети в процесі мейозу. Те саме відбувається з двома рецесивними алелями.

Рис. 34.2. Утворення нащадків із батьківськими фенотипами

1 Такий фенотип найпоширеніший у природі, тому його називають «диким типом».

Томас Морган

Народився 1866 року в Лексингтоні (штат Кентуккі, США). Освіту здобув у державному коледжі штату Кентуккі. Студіював на морських біологічних станціях, де займався зоологічними дослідженнями. Після відвідин саду Гуго де Фріза в Амстердамі Морган зацікавився мутаціями, а згодом і загалом генетичними дослідженнями. Саме він увів у науку новий об’єкт досліджень — плодову мушку дрозофілу. Усі подальші досліди Томас Морган проводив саме з нею. Ученому вдалося зібрати талановиту групу дослідників, разом із якими він сформулював основні положення хромосомної теорії спадковості. 1933 року Моргану було присуджено Нобелівську премію «за відкриття, пов’язані з роллю хромосом у спадковості». Помер Томас Морган 1945 року в Пасадені (штат Каліфорнія, США).

Проте, якби зчеплення між генами було повним, то дигетерозигота утворювала б лише два види гамет. А в потомстві від схрещування з рецесивною дигомозиготою було б лише два фенотипні класи. Однак ми спостерігаємо наявність особин із фенотипами, що відрізняються від батьківських (так званими рекомбінантними фенотипами), хоча їхня частка й менша, ніж за незалежного успадкування ознак. Це означає наявність механізму, завдяки якому алелі одного гена можуть мінятися місцями в гомологічних хромосомах.

Кросинговер порушує зчеплення

У схрещуванні мушок з’ясувалося, що поряд із нерекомбінантним потомством наявна також незначна кількість рекомбінантних потомків. Пояснити їх появу за умови зчеплення генів проблемно. Насправді ж у мейозі відбувається процес перебудови хромосом, що має назву кросинговер (про нього вже йшлося в § 29). Під час кросинговеру гомологічні хромосоми об’єднуються одна з одною. При цьому відбувається обмін ідентичними ділянками між хромосомами (рис. 34.3). У такий спосіб алелі, розташовані в різних хромосомах, міняються місцями.

Кросинговер може пояснити появу рекомбінантного потомства в розглянутому вище схрещуванні (рис. 34.4). Оскільки кросинговер між генами А та В відбувається лише в деяких, але не в усіх парах хромосом, більша частина потомства залишається нерекомбінантною.

У дигетерозигот AaBb, коли домінантні алелі розташовані в одній хромосомі, а рецесивні — в другій, більшість гамет містить або AB, або ab хромосому. Проте в 17 % випадків між цими генами відбувається кросинговер, за якого домінантні та рецесивні алелі міняються хромосомами. У результаті виникають кросоверні гамети Ab та aB. Гомозигота утворює лише один тип гамет — ab. У разі запліднення за участю некросоверних гамет формуються особини з батьківськими фенотипами. А в 17 % випадків утворюються особини з рекомбінантними фенотипами.

Рис. 34.3. Схема кросинговеру

Рис. 34.4. Пояснення появи рекомбінантних мух у потомстві при схрещуванні дигетерозиготної самиці з мутантним самцем

1. Сіре забарвлення тіла й нормальні крила. 2. Чорне забарвлення тіла й укорочені крила. 3. Сіре забарвлення тіла й нормальні крила. 4. Чорне забарвлення тіла й укорочені крила. 5. Сіре забарвлення тіла й укорочені крила. 6. Чорне забарвлення тіла й нормальні крила.

Що далі гени розташовані один від одного, то вища частота кросинговеру. Якщо частота кросинговеру становить 50 %, то успадкування таких генів, навіть якщо вони розташовані в одній хромосомі, виявляється незалежним.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. За кросинговеру своє положення міняють

  • А одна пара хромосом
  • Б алелі лише одного гена
  • В алелі різних генів
  • Г лише гени однієї пари хромосом
  • Д різні гамети

2. Якщо гени розташовані на протилежних кінцях довгої хромосоми, то

  • А ймовірність кросинговеру 1 %
  • Б ймовірність кросинговеру 50 %
  • В ймовірність кросинговеру 0,1 %
  • Г ймовірність кросинговеру 17 %
  • Д кросинговер відбувається завжди

3. Дикий тип плодової мушки має

  • А сіре забарвлення, укорочені крила та генотип AaBb
  • Б сіре забарвлення, укорочені крила та генотип AAbb
  • В сіре забарвлення, нормальні крила та генотип aabb
  • Г сіре забарвлення, нормальні крила та генотип AABB
  • Д сіре забарвлення, нормальні крила та генотип AABb

4. При схрещуванні дигетерозиготи з рецесивною дигомозиготою за генами плодової мушки A та B ймовірність появи в другому поколінні мушок з одним із батьківських фенотипів становить

5. Частота кросинговеру між генами C та D — 5 %. Від схрещування дигетерозиготи CcDd з рецесивною дигомозиготою ccdd варто чекати розщеплення

  • А 1 : 1 : 1 : 1
  • Б 95 : 95 : 1 : 1
  • В 19 : 19 : 1 : 1
  • Г 40 : 40 : 10 : 10
  • Д 95 : 5

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. За яких умов зчеплені гени успадкуються незалежно?

7. Що є причиною збільшення частоти кросинговеру при збільшенні відстані між генами?

8. Чому домінантні та рецесивні алелі в досліді Моргана з плодовими мушками виявилися в різних хромосомах у гібридів першого покоління?

9. Чому організмів із рекомбінантними фенотипами не буває більше, ніж організмів із нерекомбінантними?

10. Які фенотипи та в якому співвідношенні мали б нащадки в досліді з плодовими мушками, якби кросинговер не відбувався?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Між трьома генами можливі два перехрещення при кросинговері (як на рисунку). Поясни причини того, що відсоток подвійних кросоверних гамет менший, ніж очікувалося теоретично.

12. Чи в усіх організмів гени розташовані в хромосомі лінійно та не перекриваються?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. Як дані про ймовірність кросинговеру допомогли побудувати хромосомні карти?

14. Від яких чинників залежить частота кросинговеру для пари генів?

15. Розкрий хромосомну теорію спадковості. Яке значення вона мала для розвитку біології?

ОСНОВИ МЕДИЧНОЇ БІОЛОГІЇ – 2012

Незалежне комбінування генів може здійснюватись лише за умов, що гени знаходяться в різних парах хромосом. У кожного організму кількість генів, які незалежно комбінуються при мейозі, обмежена кількістю пар хромосом. Але кількість ознак організму, які контролюються генами, дуже велика, а кількість пар хромосом невелика. Якщо допустити, що в кожній хромосомі не один ген, а більше, тоді яким чином успадковуються гени, локалізовані в одній хромосомі? Відповідь на ці питання одержав Т. Морган в дослідах на плодовій мушці дрозофілі. Гени — складові частини хромосом. Так як генів більше, ніж хромосом, можна передбачити, що в одній хромосомі буде не один ген, а кілька, які успадковуються разом. Таке явище було назване Т. Морганом зчепленням генів. Успадкування генів, які знаходяться в одній хромосомі, що обмежує вільне їх комбінування, називається зчепленням генів.

Гени, розташовані в одній хромосомі, називаються зчепленими і успадковуються переважно разом (зчеплене успадкування). Усі гени однієї хромосоми утворюють одну групу зчеплення. Гомологічні хромосоми мають однакові групи зчеплення, тому в кожному організмі буде стільки груп зчеплення, скільки пар гомологічних хромосом.

Ознаки, гени яких належать до однієї групи зчеплення, не підкоряються принципу незалежного розподілу при дигібридному схрещуванні (АаВb х АаВb) у співвідношенні 9:3:3:1 і при дигібридному аналізуючому схрещуванні (АаВb х aabb) у співвідношенні 1:1:1:1. Разом зчеплені гени передаються не завжди.

Явище зчеплення ознак відкрили в 1906 р. В. Бетсон і Р. Пеннет у дослідах із запашним горошком при схрещуванні двох його рас, які відрізнялися двома парами ознак – формою пилку та кольором квітів. Замість очікуваного розщеплення в другому поколінні F2 (9:3:3:1) спостерігалося розщеплення в співвідношенні, близькому до 3:1. Ознаки, таким чином, не проявляли незалежного успадкування.

Явище зчеплення генів проаналізував Т. Морган. У дрозофіли алель сірого кольору тіла (В) домінує над алелем чорного кольору тіла (b), алель нормальної довжини крил (V) – над алелем зачаткових крил (v). Схрещування гомозиготної сірої мухи з нормальними крилами (BBVV) і чорної мухи із зачатковими крилами (bbvv) дало в першому поколінні F1 гібридів з сірим тілом і нормальними крилами (BbVv), що підтверджувало закон одноманітності гібридів першого покоління, встановлений Г. Менделем. Результати досліду не залежали від статі рецесивної гомозиготи. Далі було проведено два аналізуючих дигібридних схрещування. У першому з них самець був дигібридом F, (сіре тіло і нормальні крила), а самка – гомозиготою за рецесивними алелями (чорне тіло і зачаткові крила). Від цього схрещування було одержано два фенотипових класи, аналогічні вихідним батьківським формам, у рівному співвідношенні: 50% сірих з нормальними крилами (BbVv) і 50% чорних із зачатковими крилами (bbvv). У другому дигібридному аналізуючому схрещуванні самка була дигібридом F1 (сіра з нормальними крилами), а самець – рецесивною гомозиготою (чорний із зачатковими крилами). Від цього схрещування було одержано чотири фенотипових класи в співвідношенні:

1) сірі з довгими крилами (BbVv) 41,5 %;

2) сірі із зачатковими крилами (Bbvv) 8,5 %;

3) чорні з довгими крилами (bbVv) 8,5 %;

4) чорні із зачатковими крилами (bbvv) 41,5 % (рис.)

Результати обидвох аналізуючих дигібридних схрещувань не співпадали з очікуваним співвідношенням фенотипів – 25 % сірих з нормальними крилами, 25 % сірих із зачатковими крилами, 25 % чорних з нормальними крилами і 25 % чорних із зачатковими крилами, як це має місце при незалежному успадкуванні (Г. Мендель). Відхилення від очікуваного розщеплення (1:1:1:1) Морган пояснив тим, що гени досліджуваних ознак (В і V) розташовані в одній хромосомі і успадковуються разом (зчеплено). Сила зчеплення між генами обернено пропорційна відстані між ними в хромосомі (правило або закон Моргана).

Рис. 21. Зчеплене успадкування в дрозофіли.

Зчеплення генів може бути повним і неповним. У першому аналізуючому схрещуванні мало місце повне зчеплення генів. У другому аналізуючому схрещуванні число особин з фенотипами, які повторюють фенотипи батьків, переважало (83 %) і теж вказувало на тісне зчеплення алелей В і V. Появу в меншій кількості (17%) потомства з фенотипами, в яких поєднувалися ознаки обидвох батьків, Т. Морган, опираючись на відкриття хіазм у мейозі Ф. Янсеном (1909), пояснив порушенням зчеплення в результаті перехресту хромосом у точці між генами В і V. Процес перехресту Морган назвав кросинговером. Відмінності в результатах 1-го аналізуючого схрещування, коли дигібридом був самець, і 2-го аналізуючого схрещування, коли дигібридом була самка, пояснюються особливістю біології дрозофіли, яка полягає у відсутності кросинговеру в гаметогенезі самців. Тому дигібридний самець (BbVv) утворює тільки некросоверні гамет (BV і bv) двох сортів по 50 % кожного сорту, а дигібридна самка (BbVv) – 83 % некросоверних гамет двох сортів (41,5 % BV і 41,5 % bv) і 17 % кросоверних гамет двох сортів (8,5 % Bv і 8,5 % bV). Кросоверними називаються гамети, в процесі утворення яких відбувся кросинговер, некросоверні гамети утворилися без кросинговеру. Відповідно особини, які виникли з участю кросоверних гамет, називаються кросоверами, а утворені без них – некросоверами. Отже, в досліді Т. Моргана кросоверів у потомстві було 17%, некросоверів – 83%.

Кросинговер (перехрест хромосом) – взаємний обмін ділянками гомологічних хромосом. Закономірно відбувається в профазі першого мейотичного поділу на стадії пахінеми при гаметогенезі (сперматогенезі та овогенезі). Гомологічні хромосоми (материнська і батьківська) профази І найтісніше прилягають одна до одної (кон’югують). Кожна з них представлена двома хроматидами. Перед тим як розійтися, хроматиди утворюють Х-подібні фігури (хіазми), у точках перехресту хроматиди відриваються, а потім з’єднуються, але вже материнська не з материнською, а материнська з батьківською. Обмін генетичним матеріалом відбувається, як правило, між несестринськими хроматидами гомологічних хромосом, але може відбуватися і між сестринськими. Кросинговер порушує зчеплення генів. У результаті виникають рекомбінантні хромосоми з новими поєднаннями генів, нові групи зчеплення, що веде до появи потомства з новими комбінаціями батьківських генів. Кросинговер має значення для еволюції як один з механізмів виникнення комбінативної мінливості.

Крім мейотичного кросинговеру, який закономірно відбувається в мейозі при утворенні гамет, іноді спостерігається обмін генетичним матеріалом між хроматидами гомологічних хромосом у соматичних клітинах (мітотичний кросинговер). Так, автосомно-рецесивна мутація людини, відома як синдром Блюма, супроводжується цитологічною картиною, яка нагадує кон’югацію гомологічних хромосом і навіть утворення хіазм.

Частоту кросинговеру вимірюють відношенням числа кросоверів до загального числа особин у потомстві від аналізуючого схрещування і виражають у відсотках. Частота кросинговеру між генами прямо пропорційна відстані між ними. Чим ближче між собою розміщені гени, тим менше між ними можливих точок кросинговеру і, навпаки, чим далі між собою розміщені гени, тим більше між ними можливих точок кросинговеру. Кросинговер між двома генами може відбуватися не тільки в одній, але і в двох (подвійний кросинговер) і навіть більшому числі точок.

Частота кросинговеру відбиває ступінь зчеплення генів і для даних двох генів, за однакових умов, завжди постійна. Для інших генів цієї ж хромосоми частота кросинговеру обов’язково інша, але теж постійна: від часток відсотку до майже 50 %. Постійність відсотку кросинговеру між генами використовується як показник відносної відстані між ними. За одиницю відстані між генами прийнята одна морганіда. Вона відповідає відстані, на якій частота кросинговеру дорівнює 1 %. У досліді Моргана кросоверів у потомстві було 17 %. Звідси, частота кросинговеру між генами В і V дорівнює 17 %, відстань між генами – 17 морганід. На основі цих даних Т. Морган та його співробітники розробили положення про лінійне розміщення генів у хромосомах і запропонували принцип побудови хромосомних карт.

Основні положення хромосомної теорії спадковості

Хромосомну теорію спадковості сформулювали і експериментально обгрунтували в дослідах на плодовій мушці дрозофілі (Drosophila melanogaster), проведених у 1910-1925 pp. американський генетик Т. Морган та його школа – А. Стертевант, Г. Меллер, К. Бріджес. Основні положення хромосомної теорії спадковості:

1. Гени розміщаються в хромосомах по довжині в лінійному порядку; різні хромосоми містять неоднакове число генів; набір генів кожної з негомологічних хромосом – унікальний.

2. Алельні гени займають певні й ідентичні локуси (місця) гомологічних хромосом.

3. Гени, розташовані в одній хромосомі, утворюють групу зчеплення, завдяки чому має місце зчеплення деяких ознак, які разом (зчеплено) передаються нащадкам. Кількість груп зчеплення дорівнює гаплоїдному набору хромосом. Зчеплення не абсолютне.

4. Під час мейозу, який відбувається тільки при утворенні гамет, диплоїдне число хромосом зменшується вдвічі (гаплоїдне число). Це відповідає закону розщеплення, за яким генетичний матеріал обох батьків має розщепитися і потрапити в різні гамети.

5. Згідно із законом незалежного розподілу батьківські й материнські набори незчеплених генів розщеплюються незалежно один від одного. Якщо незчеплені гени розташовані в різних хромосомах, то під час мейозу материнські й батьківські хромосоми повинні розподілитися між гаметами випадково.

6. Між генами гомологічних батьківських і материнських груп зчеплення можуть відбуватися, завдяки кросинговеру, реципрокні рекомбінації. Цьому відповідає утворення хіазм під час кон’югації гомологічних хромосом у мейозі (генетичний кросинговер).

7. Сила зчеплення між генами обернено пропорційна відстані між ними. Чим ближче розташовані гени в одній хромосомі, тим сильніше їх зчеплення, тим у меншій мірі виникатимуть рекомбінації між ними, і навпаки. Відстань між генами вимірюється у відсотках кросинговеру. Один відсоток кросинговеру відповідає одній морганіді.

8. Кожний біологічний вид характеризується специфічним набором хромосом – каріотипом. Дослідження хромосомного механізму визначення та успадкування ознак, зчеплених зі

статтю, зчеплення генів, генетичних карт з цитологічними картами хромосом – все це покладено в основу хромосомної теорії спадковості, на яку спирається весь розвиток генетики.

Генетичні карти хромосом

Ґрунтуючись на знанні теорії лінійного розташування генів у хромосомі та на підставі кросинговеру, визначивши відстань між ними, вдалося встановити їх послідовність у хромосомі. А.Стертевант склав першу карту розподілу генів в одній із хромосом дрозофіли. Потім були складені такі карти і для інших хромосом. За одиницю відстані між генами приймається 1% кросинговеру, або 1 морганіда.

Генетична карта – це відрізок прямої, на якій позначено порядок розташування генів і вказано відстань між ними у відсотках кросинговеру. Вона будується на основі результатів аналізуючого схрещування.

Картування проводиться з метою, щоб дізнатися, в якій парі хромосом і на якій генетичній відстані (коефіцієнт рекомбінації), або в якій частині хромосоми, розташовані гени.

Побудовані генетичні карти для багатьох об’єктів. Серед покритонасінних рослин краще всього вивчено генетичні карти кукурудзи, ячменю, рису, томатів та ін. У тварин такі карти складено для дрозофіли, а серед ссавців – для миші. Доведено, що такий розподіл генів у хромосомах є загальнобіологічною закономірністю.

У людини аналіз зчеплення генів класичними методами, розробленими на дрозофілі, неможливий, внаслідок неможливості експериментальних шлюбів. В останні роки розроблено комплекс методів картування генів на хромосомах людини. Так, для вивчення груп зчеплення і складання карт хромосом використовують понад 15 методів.

Картування хромосом у людини проводиться шляхом аналізу родоводів та генетичного аналізу гібридних соматичних клітин.

Тривалий час були відомі тільки три автосомні групи зчеплення і Х-хромосомна. Новий період розпочався з 1968 р., коли вдалося встановити локалізацію гена групи крові Даффі у хромосомі 1. У людини відомі всі 24 групи зчеплення.

Геном людини містить від 35000 до 40000 різних генів, 16000 з яких тепер картовані на скелетній карті генома, складеній за допомогою 1000 високополімерних ДНК-маркерів (J. Schuler et al., 1996).

Виявлення груп зчеплення у хромосомах дає можливість побудови хромосомних карт, коли на хромосомі розміщення генів позначають у вигляді цяточок. Найбільш повно побудована карта Х-хромосоми. Локуси, зчеплені з Х-хромосомою (а їх понад 200), віднесені до цієї хромосоми спираючись на аналіз родоводів (багато з них підтверджені методами гібридизації соматичних клітин).

Методи побудови карт хромосом ґрунтуються на передбаченні ймовірності кросинговеру по всій довжині хромосоми і випадкових обмінах між різними хроматидами.

Для картування хромосом застосовують гібридизацію соматичних клітин людини з клітинами різних тварин, переважно з клітинами миші. При культивуванні таких гібридних клітин на живильних середовищах відбувається постійна втрата хромосом людини. Коли в гібридній клітині залишається тільки одна хромосома від людського каріотипу, її можна ідентифікувати шляхом диференціального забарвлення. Визначивши потім вміст певного ферменту в даній клітині, можна стверджувати, що локус для цього ферменту розташований у цій хромосомі.

Незважаючи на певні труднощі при побудові генетичних карт і на їх відносність, детальна розробка карт – один з провідних методів аналізу поведінки і тонкої будови хромосом.

Уже відомі 24 групи зчеплення у людини (22 пари автосом, Х, Y). Картована значна кількість генів на хромосомах людини.

Складання точних карт хромосом є необхідною передумовою подальшого прогресу теоретичної генетики людини. Це має виняткове значення для виявлення, диференціальної діагностики спадкових хвороб плода, для ранньої діагностики цих хвороб, встановлення носіїв генетичних зрушень, які перебувають у безсимптомній фазі, для визначення медико-генетичного прогнозу.

Сучасний стан дослідження геному людини

Міжнародна програма «Геном людини» була сформульована на початку 90-х років ХХ століття. Внаслідок копіткої роботи до початку 2003р. геном людини повністю секвенований, тобто повністю прочитана послідовність трьох мільярдів пар основ, з яких побудована ДНК всіх 23 пар хромосом людини. Генетична довжина геному людини складає 3000 сМ (сантиморганіда, генетична відстань, яка дорівнює 1% кросинговеру). Розв’язання програми «Геном людини» сприяло створенню генетичної карти, відтворенню цитогенетичної карти геному.

Генетична карта передбачає встановлення послідовності розміщення генетичних маркерів з відстанню не більше 1 см вздовж усіх хромосом. Така генетична карта дозволяє картувати будь- який ген, встановити відносну відстань між локусами.

Винятковим успіхом програми «Геном людини» було створення інтегральних (фізичних) карт геному. Картовано близько 40000 кодуючих послідовностей. Загальне число генів, очевидно,складатиме 30500-40000.

На сьогодні весь геном людини клонований у вигляді великих фрагментів, які перекривають один одного. Розташування кожного з цих фрагментів на хромосомі визначено з високою точністю. Термін клонування означає, що ген картований, вивчена його структура, знайдена мутація, яка викликає те чи інше захворювання.

Розкриття геному людини сприятиме розвитку нових напрямків медицини, вивченню природи спадкових і злоякісних хвороб, розробці генної і клітинної терапії.

Нехромосомна (цитоплазматична) спадковість

Теорія спадковості Т. Моргана називається хромосомною. Цим підкреслюється провідна роль хромосом ядра в явищах спадковості. Проте спадковість пов’язана також і з цитоплазмою. На відміну від хромосомної (ядерної) ця форма спадковості називається нехромосомною, або цитоплазматичною. Вона забезпечується генами, які локалізовані поза ядром клітини – у мітохондріях і пластидах, які мають власну ДНК і здатні до автономної (незалежно від ядра) редуплікації. Сукупність генів цитоплазми називається плазмоном, а самі гени – плазмагенами. Плазмагени за своїми властивостями схожі з ядерними генами. Вони здатні до редуплікацій і мутацій. Цитоплазматична спадковість передається в однобічному напрямі виключно по материнській лінії з цитоплазмою яйцеклітин. За материнським типом успадковуються стійкість до стрептоміцину в хламідомонад, напрямок завитки черепашки прісноводних молюсків (Lymnea), ряболистість у декоративних рослин нічної красуні (Mirabilis jalapa), левових ротиків (Antirrhinum majus), цитоплазматична чоловіча стерильність у кукурудзи. У бактерій цитоплазматична спадковість пов’язана з плазмідами – позахромосомними невеликими молекулами ДНК кільцевої форми. Відомі різноманітні за своєю функцією плазміди. F-плазміди забезпечують здатність бактерій до кон’югації, R-плазміди – множинну резистентність до лікарських засобів, Col-плазміди – синтез коліцинів (білків з летальною активністю).

Основні форми цитоплазматичної спадковості – пластидна і мітохондріальна. Приклад пластидної спадковості – успадкування ряболистості в нічної красуні, інших рослин.

Мітохондріальна спадковість. Кожна мітохондрія має власну ДНК. У порівнянні з ядерними ДНК, мітохондріальні ДНК (mДHК) мають кільцеву форму, відносно невеликі розміри і відповідно невеликий набір генів, не містять інтронів. У людини тДНК містить 16569 пар нуклеотидів. Генетичний код мітохондріальних ДНК відрізняється від універсального: окремі триплети кодують інші амінокислоти, неоднакові нуклеотидні послідовності формують стоп-кодони, частіше в третій позиції зустрічається аденін або цитозин. Більшість мітохондріальних білків кодується ядерними ДНК і синтезується в цитоплазмі, а потім надходить у мітохондрії. І лише приблизно 2 % мітохондріальних білків кодується плазмагенами і синтезується на мітохондріальних рибосомах. З мутаціями мітохондріальних генів пов’язані мітохондріальні хвороби.

Кожний вид організмів має певне співвідношення статей при народженні у більшості організмів співвідношення між статями в популяції дорівнює 1:1 (або 50% на 50%):

Тому, Г. Мендель та Донкастер пропонували таку гіпотезу генетичного механізму визначення статі — одна стать гетерозиготна (Аа), а інша — гомозиготна за рецесивними алелями і тоді (див. схему) із покоління в покоління буде зберігатися співвідношення між статями 1:1.

Стать успадковується як менделююча ознака. Розщеплення за статтю відбувається як при аналізуючому моногібридному схрещуванні в співвідношенні 1 : 1.

Стать тварин і рослин генетично визначається однією парою хромосом, які отримали назву статевих. Існують чотири основних типи регуляції статі статевими хромосомами.

1. XY-тип, за якого жіноча стать має дві ХХ статеві хромосоми і є гомозиготною (утворює гамети одного типу – Х), а чоловіча стать має чоловічу статеву хромосому – Y, яка відрізняється від Х-хромосоми величиною і формою. Чоловіча стать гетерогаметна (утворює гамети двох типів – Х і Y). Цей тип властивий ссавцям, комахам і більшості дводольних покритонасінних рослин.

2. Х0-тип – жіноча стать має дві Х-хромосоми, а чоловіча тільки одну Х-хромосому.

Х0-тип трапляється серед комах і ссавців.

3. ZW-тип. Жіноча стать має одну жіночу статеву хромосому W і другу, відмінну від неї за формою і величиною, статеву хромосому Z. Тут жіноча стать є гетерогаметною, а чоловіча стать має дві однакових статевих хромосоми Z і гомогаметна. ZW-тип притаманний деяким рибам, метеликам, птахам і дуже рідко трапляється серед рослин.

4. ZO-тип – жіноча стать має тільки одну Z-хромосому і гетерогаметна, а чоловіча – дві Z- хромосоми і гомогаметна. Цей тип відомий тільки в одного з видів ящірки.

Способи визначення статі:

– прогамний тип – стать визначається ще до запліднення (у дафній за оптимальних умов у водоймі розвиваються самки, а при низькій температурі – самці);

– сингамний тип – стать визначається в момент запліднення (у людини при поєднанні двох Х-хромосом формується жіночий організм, а X- та Y-хромосоми – чоловічий);

– епігамний тип – стать визначається після запліднення і формується під впливом умов довкілля (типовим прикладом є морський черв’як Bonellia viridis, самка якого відкладає запліднені яйця у воду, де з них розвиваються личинки. Якщо личинка попадає на хоботок самки, то з неї під дією певних ферментів розвивається великих розмірів самка. Якщо ж личинка опускається на дно водойми або прикріплюється до якогось іншого субстрату – то з неї розвивається дрібних розмірів самець);

Стать визначається також залежно від факту запліднення (у бджіл із заплідненої яйцеклітини формуються самки, а з незаплідненої – самці).

Стать, як і будь-яка інша ознака, генетично детермінована. У людини стать визначається в момент запліднення (сингамно) і залежить від комбінації статевих хромосом від обох батьків у зиготі. Розрізняють гомогаметну і гетерогаметну стать. Гомогаметна – стать, в якій обидві статеві хромосоми однакові та утворює один тип гамет. Гетерогаметна – стать з різними статевими хромосомами та утворює два типи гамет. У людини, ссавців, дрозофіли гомогаметною статтю є жіноча стать, гетерогаметною – чоловіча. Жінка (XX) в мейозі утворює один тип яйцеклітин (X), чоловік (XY) – два типи сперматозоїдів у рівному співвідношенні: половина сперматозоїдів містить X-хромосому, інша половина – Y- хромосому.

Стать майбутнього організму залежить від гетерогаметної батьківської особини, яка утворює два типи гамет: та з цих гамет, яка візьме участь у заплідненні, та і визначить стать нащадка. Народиться дівчинка чи хлопчик, залежить від типу сперматозоїда, бо яйцеклітини за статевою хромосомою однакові. Можливі дві комбінації: 1) якщо яйцеклітину X запліднює Х-сперматозоїд, у зиготі поєднуються дві Х-хромосоми: з такої зиготи розвивається організм жіночої статі XX; 2) якщо яйцеклітину X запліднює Y-сперматозоїд, у зиготі поєднуються X- і Y-хромосоми: з такої зиготи розвивається організм чоловічої статі XY.

Ознаки, гени яких розташовані не в автосомах, а в статевих хромосомах (X і Y), називають зчепленими зі статтю, а успадкування таких ознак – успадкуванням, зчепленим зі статтю. Його вперше встановив Т. Морган при вивченні успадкування кольору очей (червоного і білого) у дрозофіли.

Зверху ліворуч – гени, розташовані в непарній з Y-хромосомою ділянці Х-хромосоми; зверху праворуч – гени, розташовані в непарній ділянці Y-хромосоми; внизу праворуч і ліворуч – гени, розташовані в гомологічних ділянках X- і Y-хромосом.

Першу групу складають гени, повністю зчеплені зі статтю. Вони локалізовані в негомологічній ділянці Х-хромосоми, яка не має гомолога в Y-хромосомі, і передаються виключно через X-хромосому. До числа таких генів належать рецесивні гени гемофілії, дальтонізму, домінантний ген гіпофосфатемії (вітамін D-резистентний рахіт).

Другу групу складає невелике число генів, теж повністю зчеплених зі статтю, але розташованих у негомологічній ділянці Y-хромосоми. Вони передаються від батька до всіх його синів, бо Y-хромосому син одержує лише від батька (перетинки між пальцями, “волосаті вуха”). Ознаки, гени яких розміщені в негомологічній ділянці Y-хромосоми, називаються голандричними.

Третю групу складають гени, неповно (частково) зчеплені зі статтю. Вони розташовані в гомологічних ділянках X- і Y-хромосом, можуть передаватися як з Х-, так і з Y-хромосомою, і переходити з однієї в іншу при кросинговері.

Рис. 21. Найімовірніше розташування в гомологічних ділянках X- та Y-хромосом генів, неповністю зчеплених зі статтю.

У людини ознаки, які успадковуються через Y -хромосому, можуть бути тільки у особин чоловічої статі, а успадковані через Х-хромосому – у особин як однієї, так і іншої статті. Особина жіночої статі може бути як гомо- так і гетерозиготною за генами, які локалізовані у Х-хромосомі, а рецесивні алелі генів у нього проявляються тільки у гомозиготному стані. Оскільки у осіб чоловічої статі тільки одна Х-хромосома, всі локалізовані у ній гени, навіть рецесивні, проявляються у фенотипі. Такий організм називають гемізиготним.

Гени, які визначають ознаки статі, знаходяться не тільки в статевих хромосомах. Гени ознак, обмежених статтю, можуть бути розташовані як в автосомах, так і в статевих хромосомах обох статей, але проявляються лише в однієї з них. Наприклад, баритон і бас – проявляються лише в чоловіків; молочність і жирність молока-лише в корови; яйценоскість і розмір яєць – лише в курки.

Ознаки, залежні від статі – це ознаки детерміновані аутосомними генами у чоловіків і жінок, але домінування цих ознак залежить від статевих гормонів. Залежними від статі ознаками є успадкування лисості у чоловіків і жінок. Ген лисості — домінантний. Його рецесивна алель визначає нормальне волосся. Домінантний ген в гомозиготному стані (ВВ) проявляється майже однаково у чоловіків і жінок — чоловіки будуть лисі. Жінки з рідким волоссям. У рецесивних гомозигот (вв) також однакові прояви ознак в обох статей. Якщо ген лисості знаходиться в гетерозиготному стані (Вв) у чоловіків — вони усі лисі; у гетерозиготних жінок дані ознаки не проявляться, вони будуть мати нормальне волосся. Стать впливає у людини і на таку ознаку, як подагра. При подагрі в суглобах відкладаються солі сечової кислоти, викликаючи сильний біль у людини. Ген, який відповідає за це захворювання, проявляється в присутності чоловічих статевих гормонів значно сильніше, ніж в присутності жіночих.

Рис. 22. Схема різних типів хромосомного визначення статі.

Стать – це сукупність властивостей організму, який забезпечує функцію відтворення потомства на основі передачі генетичної інформації. Розрізняють первинні і вторинні статеві ознаки. До, спарювання і запліднення, але відіграють певну первинних статевих ознак відносять всі ознаки організму, які забезпечують утворення гамет, злиття їх в процесі запліднення, а також відмінності в будові внутрішніх і зовнішніх органів розмноження. До вторинних статевих ознак відносяться ознаки, які безпосередньо не впливають на процес гаметогенезароль при статевому розмноженні (грудні залози у ссавців, оперення у птахів). Розвиток вторинних статевих ознак контролюється в системі всього організму гормональною діяльністю, і як наслідок, безпосередньо пов’язаний з функцією первинних статевих залоз.

Фізіологічна теорія визначення статі говорить про те, що організм є генетично бісексуальним і в генотипі знаходяться гени обох статей, але співвідношення цих генів, можливо, і характер їх дій у чоловічих і жіночих особин різний. Чоловіки мають гени чоловічої статі не тільки в Y-хромосомі, в невеликій кількості вони містяться і в Х- хромосомі а також в аутосомах. Жінки, як і чоловіки, також мають гени як жіночої, так і в невеликій кількості чоловічої статі. Процес диференціювання статі зумовлений статевими гормонами, які виділяються не тільки ендокринними залозами, але й гормонами зачаткової статевої залози: чоловічий статевий гормон зачаткової статевої залози — медулларин, жіночий гормон — кортикальний гормон. Рівень гормональної секреції контролюється балансом генів. Перевага генів чоловічої статі призводить до підвищення секреції чоловічих статевих гормонів і до формування чоловічої статі. Перевага жіночих статевих гормонів веде до розвитку особини жіночої статі. Зміна активностей гормональної секреції однієї статі, або другої призводить до розвитку інтерсексуальних форм, яких називають гермафродитами.

Биологическая библиотека – материалы для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

Українцям