Материал: Kurs_Lektsiy_po_Biologii (1)

Такой результат должен получиться если предположить наличие связи генов с хромосомами и, что гены B и V находятся в одной гомологичной хромосоме, а аллели b и v - в другой гомологичной хромосоме. При этом в силу расхождения гомологов при мейозе гибридный самец может дать только два сорта гамет BV и bv:

При сочетании этих гамет в анализирующем скрещивании с одним сортом гамет, дающей рецессивной гомозиготной самкой (bv), может образоваться только два вида потомков. Гаметы bV и Bv не могут возникнуть без нарушения целостности хромосом, они отсутствуют среди половых клеток гибрида. Отсюда совершенно понятно, каким образом в результате анализирующего скрещивания самца-гибрида с рецессивной самкой по обоим генам получаются в потомстве лишь две фенотипические формы вместо ожидаемых четырех.

Схема анализирующего скрещивания при полном сцеплении генов:

P ♂ BbVv x ♀ bbvv

сер. цв., чер. цв.,

дл. кр. кор. кр.

G BV bv bv

F BbVv bbvv

сер. цв., чер. цв.,

дл. кр. кор. кр.

Совместное наследование генов, ограничивающее свободное их комбинирование, называют сцепленным наследованием. Изучение сцепленного наследования и сопоставление с поведением хромосом при гаметогенезе и оплодотворении позволило Т. Моргану доказать хромосомную локализацию генов и тем самым заложить фундамент в создание хромосомной теории наследственности.

После открытия сцепления генов Т. Морганом было установлено, что у дрозофилы имеется 4 группы сцепленных генов. Это было сопоставлено с наличием 4 хромосом в гаплоидном наборе дрозофиллы и сделан вывод, что количество групп сцепления генов равно числу хромосом в гаплоидном наборе. Таким образом, гены локализованные в одной хромосоме и наследуемые вместе составляют группу сцепления генов. Наличие групп сцепления и соответствие их количества числу хромосом в гаплоидном наборе явилось еще одним доказательством роли хромосом в наследственности. Более того, исследование сцепленного наследования генов позволило установить, что определенная группа сцепленных генов связана с определенной хромосомой.

Итак, явление сцепленного наследования генов существует. Однако оказалось, что сцепление генов в хромосоме не абсолютно. Существует неполное сцепление генов, локализованных в одной хромосоме. Неполное сцепление было показано в других опытах Т. Моргана. В этих опытах Т. Морган для анализирующего скрещивания брал не гибридного самца, а гибридную самку.

У гибридных самок полное сцепление генов в большей или меньшей степени нарушается. При анализирующем скрещивании было получено не два, а четыре фенотипических типа потомков. Кроме черных мух с короткими крыльями и мух, имеющих серый цвет и длинные крылья, были получены мухи серые с короткими крыльями и черные с длинными крыльями. Таким образом, у гибридных самок происходит нарушение сцепления генов, ведущее к появлению новых комбинаций генов и появлению новых типов потомков. Нарушение сцепления генов у гибридной самки связано с кроссинговером, при котором происходит обмен генами (например, В и b) между гомологичными хромосомами в профазу мейоза I. Однако кроссинговер происходит только в части клеток при образовании гамет у гибридных самок. В этой связи гибридные самки дают не 2, а 4 сорта гамет:

В результате случайного и равновероятного сочетания четырех сортов гамет гибридной самки с одним сортом гамет рецессивного самца в анализирующем скрещивании образуется 4 типа потомков (см. схему скрещивания).

Схема анализирующего скрещивания при неполном сцеплении генов:

Однако соотношение потомства при анализирующем скрещивании получилось не по 25%, как должно было быть для дигибридного анализирующего скрещивания по закону Г. Менделя о независимом наследовании пар аллелей. Черных мух с короткими крыльями и нормальных по обоим признакам было по 41,5%, мух с новыми комбинациями, черных с длинными крыльями и серых с короткими крыльями - по 8,5%. Всего мух с новыми комбинациями признаков получилось 17%. Поскольку эти мухи (17%) появились в силу кроссинговера, их называют кроссоверными особями. Так происходит только у самок, у самца F1 кроссинговера не происходит (биологическая особенность), имеется полное сцепление указанных генов, поэтому гибридный самец дает только два сорта гамет.

Результаты всех этих опытов показывают, что действительно существует сцепление генов и лишь в определенном проценте случаев оно нарушается вследствие кроссинговера (перекреста). При кроссинговере между гомологичными хромосомами осуществляется взаимный обмен идентичными участками. Величина (частота) кроссинговера определяется отношением кроссоверных особей к общему числу потомков анализирующего скрещивания и выражается в %. В данном случае она равна 17%. Величина кроссинговера отражает силу сцепления генов в хромосоме. Чем больше величина кроссинговера, тем меньше сила сцепления между конкретными генами, тем дальше гены расположены друг от друга. Сила сцепления между генами обратно пропорциональна расстоянию между ними (правило Моргана).

Таким образом, Т. Морган установил, что частота кроссинговера показывает относительное расстояние между генами. За единицу расстояния между генами в хромосоме принимают один процент (1%) кроссинговера между ними. Эта единица называется морганидой – М (в зарубежной генетической литературе более часто используют термин сантиморганида - сМ). Если два гена расположены в хромосоме на расстоянии в одну морганиду - это значит, что кроссинговер между ними происходит в 1% делений клеток. Если гены одной группы сцепления расположены на расстоянии 50М и более друг от друга - они наследуются независимо.

На основании многочисленных генетических исследований полного и неполного сцепления генов Т. Морган выдвинул принцип о линейном расположении генов в хромосомах. Он полагал, что гены в хромосоме расположены в линейном порядке друг за другом и занимают там определенное место. На принципе линейного расположения генов в хромосоме и кроссинговере основано построение генетических карт хромосом.

Генетическая карта хромосомы - это схема относительного положения генов в хромосоме, с учетом расстояния между ними. Генетическую карту хромосомы можно представить, как отрезок прямой, на котором обозначен порядок расположения генов и указано расстояние между ними в морганидах (рис. 1).

Рис. 21. Генетические и цитологические карты хромосом

Генетическую карту хромосомы по всей ее длине строят постепенно, складывая данные о частоте кроссинговера между двумя последовательно расположенными наиболее близкими генами. Например, если известно, что процент кроссинговера между генами А и С группы сцепления составил 5% и необходимо установить место третьего гена B в той же хромосоме, то необходимо выяснить процент кроссинговера между генами B и генами A и C. Если процент кроссинговера между A и B составляет 6%, то ген B находится на одном из концов хромосом. На основании таких экспериментов в настоящее время генетические карты составлены для многих организмов. Наиболее подробные карты известны для дрозофилы, душистого горошка, кукурузы, мыши, кролика и т.д.

Ведется активно построение генетических карт хромосом человека на основе анализа родословных. В 1911 году впервые была определена хромосомная локализация гена ответственного за цветовую слепоту (дальтонизм) в Х-хромосоме. Хромосомная локализация первого аутосомного гена была определена в 1968 году. Было установлено, что ген, контролирующий антигены крови на поверхности эритроцитов, локализован в хромосоме 1. С тех пор на основании анализа родословных определены группы сцепления для десятков генов человека.

Трудности построения генетических карт хромосом человека по анализу родословных обусловлены тем, что анализируемое потомство малочисленно, поколения сменяются медленно, а подбор пар не подвергается планированию.

Задача картирования хромосом человека оказалась существенно облегченной благодаря внедрению методов работы с соматическими клетками.

В настоящее время картирование хромосом человека проводится путем анализа родословных и генетического исследования гибридных соматических клеток. Для картирования хромосом применяют гибридизацию соматических клеток человека с клетками различных животных, преимущественно с клетками мыши. При культивировании таких гибридных клеток на питательной среде происходит постепенная потеря хромосом человека. Когда в гибридной клетке остается только одна хромосома от кариотипа человека, ее можно идентифицировать путем дифференциального окрашивания. Определив затем содержимое определенного фермента в данной клетке, можно утверждать, что ген для этого фермента расположен в данной хромосоме. В настоящее время определено положение многих сотен генов в хромосомах человека. Подавляющее большинство этих генов локализовано методами генетики соматических клеток.

Составление точных генетических карт хромосом является необходимым условием дальнейшего прогресса теоретической генетики человека. Это имеет исключительное значение для выявления и дифференциальной диагностики наследственных болезней человека, определения носителей генетических сдвигов, которые находятся в бессимптомной фазе, для определения медико-генетического прогноза. В настоящее время не существует принципиальных технических препятствий для получения полной карты генома человека. Однако вследствие огромного размера изучаемой ДНК этот процесс, конечно, займет много времени.

Наряду с генетическим картированием проводится и цитогенетическое картирование хромосом с построением цитологических карт хромосом, представляющих собой схематическое изображение хромосомы с указанием места фактического расположения отдельных генов (рис. 21). Этот метод основан на использовании хромосомных перестроек. Он позволяет прямо сопоставлять результаты генетического анализа расстояний между изучаемыми генами, их взаимного расположения с хромосомными перестройками и на основании этого устанавливать место того или иного гена в хромосоме.

В настоящее время осуществляется составление и физических карт хромосом, характеризующихся в сравнении с генетическими картами большей разрешающей способностью. Расстояние между анализируемыми генами при физическом картировании выражается в парах нуклеотидов. Генетическое расстояние в 1 М соответствует физическому расстоянию между генами примерно в 1 млн. пар нуклеотидов.

Все выше представленные результаты исследований Т. Моргана и его коллег были обобщены в виде хромосомной теории наследственности. Согласно этой теории:

1) гены расположены в хромосомах;

2) гены располагаются в хромосомах в линейном порядке, в определенной последовательности;

3) каждый ген в хромосоме занимает определенное место;

4) каждая хромосома представляет отдельную группу сцепления генов;

5) число групп сцепления генов равно числу хромосом в гаплоидном наборе.

Генетика пола. Сцепленное с полом наследование

Соотношение полов в природе, как правило, 1:1, на 100 рождающихся самцов приходится 100 самок. Такое расщепление соответствует моногибридному расщеплению при анализирующем скрещивании, если один из полов аналогичен гетерозиготному организму (Аа), а другой гомозиготному (аа).

Если пол наследуется по такому принципу, как и другие признаки, то следует предположить, что один пол, например женский, должен быть «гомозиготным», а мужской «гетерозиготным», или наоборот. Тогда действительно в потомстве расщепление по полу оказывается равным 1:1. Такая догадка была высказана еще Г. Менделем. В последствии в исследованиях К. Коренса (1907), Л. Донкастера (1906) эта догадка получила убедительное подтверждение. Однако одни генетические опыты не могли дать решающего доказательства гомо- и гетерогаметности полов, пока полученные в них результаты не были сопоставлены с цитологическими фактами. Было показано, что определение пола зависит от сочетания специальных, получивших название половых, хромосом. Особый вклад в этот раздел цитогенетики внес американский ученый Э. Вильсон. Исследования по цитологии половых различий многих насекомых, многих двудольных растений, большинства позвоночных и человека показали, что один пол имеет две одинаковые Х-хромосомы, другой пол имеет гетероморфную пару из Х- и У-хромосом (ХУ). Пол, который имеет две одинаковые половые хромосомы (ХХ) получил название гомогаметного, так как он образует гаметы только одного сорта с Х-хромосомой. Пол, который имеет гетероморфную пару (ХУ) называют гетерогаметным, так как он дает в равном количестве два вида гамет (50% с Х и 50% с У). У этих видов организмов набор в виде пары ХУ характеризует самцов, а набор хромосом ХХ характеризует самок. Впервые такой состав половых хромосом был обнаружен у клопа Lygaeus turcicus. Поэтому этот способ определения пола носит название тип Lygaeus или тип ХУ.

Рассмотрим, как определяется пол у организмов, относящихся к типу Lygaeus. Принимая во внимание, что аутосомы в норме не влияют на определение пола, схему определения пола при типе ХУ можно представить: