Спадковість і мінливість організмів

Генетика – наука про закономірності спадковості і мінливості організмів (термін «генетика» запропонував англійський учений У. Бетсон).

Датою народження генетики вважається 1900 рік (рік перевідкриття законів спадковості Г. Менделя, сформульованих у 1865 році).

Спадковість – загальна властивість організмів передавати свої ознаки та особливості розвитку потомству.

Мінливість – загальна властивість організмів набувати нових ознак та їхніх станів у процесі індивідуального розвитку.

Методи генетичних досліджень:

1. гібридологічний – полягає у схрещуванні організмів, які відрізняються за певними станами однієї чи кількох спадкових ознак;

2. генеалогічний – полягає у вивченні родоводів організмів;

3. цитогенетичний – ґрунтується на дослідженні особливостей хромосомного набору (каріотипу) організмів;

4. біохімічний – використовується для діагностики спадкових захворювань, пов’язаних із порушенням обміну речовин;

5. популяційно-статистичний – дає можливість вивчати частоти зустрічальності алелей у популяціях організмів, а також генетичну структуру популяцій;

6. близнюковий – полягає у вивченні однояйцевих (монозиготних) близнят (організмів, які походять з однієї зиготи).

Основні поняття генетики

Хромосоми – структури клітинного ядра, що несуть спадкову інформацію в генах.

Каріотип – сукупність ознак хромосомного набору, характерних для даного виду.

Гомологічні хромосоми – парні хромосоми у диплоїдному наборі, однакові за формою, розміром, містять однакові набори генів.

Аутосоми – нестатеві хромосоми, однакові у особин різних статей.

Статеві хромосоми (гетерохромосоми) – хромосоми, що відрізняються у особин різних статей (остання пара хромосом у диплоїдному наборі – ХХ, ХY).

Ген – ділянка ДНК, що несе спадкову інформацію (кодує первинну структуру білка, тРНК, рРНК або бере участь у регуляції білкового синтезу).

Локус – місце гена у хромосомі.

Генотип – сукупність генетичної інформації, закодованої в генах клітини або організму (при розв’язанні задач із генетики термін генотип вживають у вузькому значенні, маючи на увазі тільки ті гени, що зумовлюють досліджувані ознаки).

Фенотип – сукупність усіх ознак і властивостей організму, що формується внаслідок взаємодії генотипу з чинниками довкілля (при розв’язанні задач із генетики термін фенотип вживають у вузькому значенні, маючи на увазі певні конкретні ознаки організму).

Генофонд – сукупність усіх генів популяції або виду.

Геном – сукупність генів галоїдного набору хромосом.

Алелі – різні форми (стани) одного і того самого гена (алельні гени знаходяться в однакових локусах гомологічних хромосом).

Домінантний алель – алель, який в присутності іншого завжди проявляється у фенотипі.

Рецесивний алель – алель, який в присутності іншого не проявляється у фенотипі.

Летальний алель – алель, який, проявляючись у фенотипі, призводить до смерті особини.

Ознака – властивість організму, зумовлена певним геном (наприклад: колір насіння, довжина шерсті).

Прояв ознаки – прояв у фенотипі однієї з алельних форм певного гена – домінантної чи рецесивної (наприклад: жовтий колір насіння або зелений колір насіння, довгошерстість або короткошерстість); для зручності іноді вживаються терміни: домінантна ознака, рецесивна ознака.

Домінування – явище пригнічення прояву одного алеля (рецесивного) іншим (домінантним).

Проміжне успадкування – явище, коли жоден з алелей не домінує над іншим (ознаки гібридів є проміжними у порівнянні з батьківськими формами).

Неповне домінування – явище, коли домінантний алель частково переважає над рецесивним.

Кодомінування – явище, коли обидва алелі повністю проявляються у фенотипах гібридних особин.

Гомозигота – диплоїдна або поліплоїдна клітина (особина), гомологічні хромосоми якої містять однакові алелі певного гена.

Гетерозигота – диплоїдна або поліплоїдна клітина (особина), гомологічні хромосоми якої містять різні алелі певного гена.

Чиста лінія – генотипно однорідні нащадки однієї особини, гомозиготні за більшістю генів і одержані в результаті самозапліднення.

Моногібридне схрещування – схрещування особин, які відрізняються станами однієї досліджуваної ознаки.

Дигібридне схрещування – схрещування особин, які відрізняються станами двох досліджуваних ознак.

Полігібридне схрещування – схрещування особин, які відрізняються станами трьох і більше досліджуваних ознак.

Гібрид – організм, одержаний внаслідок схрещування генетично різнорідних форм.

Закон чистоти гамет (сформульований У. Бетсоном у 1902 році на основі гіпотези, висунутої Г.Менделем у 1865 році): кожна з гамет містить лише один алель певного гена.

Умовні позначення, що використовуються у генетичних схемах:

• А, В, С… – домінантні алелі;

• Ā – умовно домінантний алель (при проміжному успадкуванні);

• а, в, с… – рецесивні алелі;

• Р – батьківські особини;

• F (F₁, F₂, F₃…) – покоління гібридів;

• G – гамети;

• ♀ – жіноча стать;

• ♂ – чоловіча стать;

• х – схрещування.

Позначення генотипів і гамет при моногібридному схрещуванні:

• AA – генотип домінантної гомозиготи (гамети – А);

• aa – генотип рецесивної гомозиготи (гамети – a);

• Аа – генотип гетерозиготи (гамети – А, a);

• AA – генотип потомства, отриманого від схрещування особин із генотипами АА, АА;

• aa – генотип потомства, отриманого від схрещування особин із генотипами aa, aa;

• Аa – генотип потомства, отриманого від схрещування особин із генотипами АА, aa;

• AA, Аa, aa – генотипи потомства від схрещування особин із генотипами Аа, Аa;

• AA, Аa – генотипи потомства від схрещування особин із генотипами АA, Аa;

• Aа, аa – генотипи потомства від схрещування особин із генотипами Аа, аa.

Позначення генотипів і гамет при дигібридному схрещуванні:

• AAВВ – генотип домінантної дигомозиготи (гамети – АВ);

• aabb – генотип рецесивної дигомозиготи (гамети – ab);

• AAbb – генотип домінантної гомозиготи за однією ознакою і рецесивної гомозиготи за другою ознакою (гамети – Аb);

• aaВВ – генотип рецесивної гомозиготи за однією ознакою і домінантної гомозиготи за другою ознакою (гамети – aВ);

• АаВb – генотип дигетерозиготи (гамети – АВ, Аb, aВ, ab);

• AAВb – генотип домінантної гомозиготи за однією ознакою і гетерозиготи за другою ознакою (гамети – АВ, Аb);

• aaВb – генотип рецесивної гомозиготи за однією ознакою і гетерозиготи за другою ознакою (гамети – aВ, ab);

• AаВВ – генотип гетерозиготи за однією ознакою і домінантної гомозиготи за другою ознакою (гамети – АВ, aВ);

• Aаbb – генотип гетерозиготи за однією ознакою і рецесивної гомозиготи за другою ознакою (гамети – Аb, ab).

Закони спадковості Г.Менделя

За допомогою гібридологічного методу генетичних досліджень, використовуючи як дослідний матеріал рослини гороху посівного (є багато сортів з альтернативними проявами ознак; внаслідок самозапилення виводяться «чисті лінії»), чеський учений Грегор Мендель у 1865 році встановив закономірності успадковування.

І закон Менделя (закон однорідності гібридів І покоління): при схрещуванні домінантної і рецесивної гомозигот гібриди І покоління будуть однорідні – гетерозиготи з домінантним станом ознаки у фенотипі (вчений проводив моногібридне схрещування «чистих ліній» сортів гороху з жовтим і зеленим кольором насіння).

A – жовтий колір; Р ♀AA х ♂aa

а – зелений колір. G A a

F₁ Aа

Всі особини у F₁ мають жовте насіння.

ІІ закон Менделя (закон розщеплення): при схрещуванні гібридів першого покоління між собою серед їхніх нащадків спостерігається явище розщеплення станів ознак: домінантний проявляється у 75% випадків, рецесивний – у 25% (вчений проводив моногібридне схрещування гетерозиготних форм гороху з жовтим кольором насіння).

Р(F₁) ♀Aа х ♂Аa

G A, а А, a

F₂ AA, Аa, Aа, aa

Співвідношення станів ознак (жовтого і зеленого кольору насіння) у F₂ становить 3:1.

ІІІ закон Менделя (закон незалежного успадкування): при дигібридному чи полігібридному схрещуванні розщеплення станів кожної ознаки у нащадків відбувається незалежно від інших (вчений проводив дигібридне схрещування: спочатку схрещував «чисті лінії» сортів гороху з жовтим гладким і зеленим зморшкуватим насінням; пізніше – дигетерозиготні форми гороху з жовтим гладким насінням).

A – жовтий колір; Р ♀AAВВ х ♂aabb

а – зелений колір; G AВ ab

В – гладка поверхня; F₁ АаВb

b – зморшкувата поверхня.

Всі особини у F₁ мають жовте гладке насіння (підтвердження закону однорідності гібридів І покоління).

Р(F₁) ♀АаВb х ♂АаВb

G АВ, Аb, aВ, ab АВ, Аb, aВ, ab

F₂ – генотипи потомства зручно записувати, використовуючи решітку Пеннета:

Гамети, ♀\♂	АВ	Аb	aВ	ab
АВ	ААВВ	ААВb	АaВВ	АaВb
Аb	ААВb	ААbb	АaВb	Аabb
aВ	АaВВ	АaВb	aaВВ	aaВb
ab	АaВb	Аabb	aaВb	aabb

Співвідношення різних фенотипів у F₂ становить 9:3:3:1, а саме:

• особин із жовтим гладким насінням – 9;

• особин із жовтим зморшкуватим насінням – 3;

• особин із зеленим гладким насінням – 3;

• особин із зеленим зморшкуватим насінням – 1.

Проте співвідношення станів ознаки кольору насіння (жовтого і зеленого) у F₂ становить 3:1 (особин із жовтим насінням – 12, із зеленим – 4), співвідношення станів ознаки якості поверхні насіння (гладкої і зморшкуватої) у F₂ також становить 3:1 (особин із гладким насінням – 12, зі зморшкуватим – 4).

Аналізуюче схрещування

Аналізуюче схрещування – схрещування між домінантною та рецесивною за фенотипами особинами (здійснюється з метою визначення генотипу особини, яка має домінантний фенотип).

Моногібридне аналізуюче схрещування

Якщо особина, генотип якої визначають, є домінантною гомозиготою, то гібриди F₁ будуть однорідними, якщо гетерозиготою – у F₁ відбудеться розщеплення за фенотипом у співвідношенні 1:1.

Р ♀AA х ♂aa Р ♀Aа х ♂aa

G A a G A, а a

F₁ Aа F₁ Aа, аа

Дигібридне аналізуюче схрещування

Якщо особина, генотип якої визначають, є домінантною дигомозиготою, то гібриди F₁ будуть однорідними, якщо дигетерозиготою – у F₁ відбудеться розщеплення за фенотипом у співвідношенні 1:1:1:1.

Р ♀AAВВ х ♂aabb Р ♀АаВb х ♂aabb

G AВ ab G АВ, Аb, aВ, ab ab

F₁ АаВb F₁ АаВb, Ааbb, ааВb, ааbb

Якщо особина, генотип якої визначають, є домінантною гомозиготою за однією ознакою і гетерозиготою за другою ознакою, то у F₁ відбудеться розщеплення за фенотипом у співвідношенні 1:1.

Р ♀AAВb х ♂aabb Р ♀АаВВ х ♂aabb

G AВ, Аb ab G АВ, aВ ab

F₁ АаВb, Ааbb F₁ АаВb, ааВb

Зчеплене успадкування

Закон незалежного успадкування (незалежного комбінування станів ознак) ґрунтується на тому, що гени, які контролюють розвиток різних ознак, знаходяться у різних парах гомологічних хромосом. При цьому відбувається незалежний розподіл алелів між гаметами. Наприклад, дигетерозиготний організм із генотипом АаВb з однаковою ймовірністю утворює чотири типи гамет: АВ, Аb, aВ, ab.

А║а В║b → │А│В │а│b або А║а В║b → │А│b │а│В

Якщо ж гени знаходяться у одній парі гомологічних хромосом, то їхні алелі успадковуються разом (зчеплено). Дигетерозиготний організм може мати два варіанти генотипу, які дають по два типи гамет: АВ (гамети – АВ, ab) або Аb (гамети – Аb, aВ).

аb аВ

А║а → │А │а А║а → │А │а

В║b │В │b b ║В │b │В

Явище зчепленого успадкування експериментально дослідив американський генетик Т.Морган у 1911 році, використовуючи як дослідний матеріал муху-дрозофілу.

Альтернативні прояви ознак у дрозофіли визначаються такими алелями:

Е – сірий колір тіла;

е – чорний колір тіла;

V – нормальні крила;

v – недорозвинені крила.

Коли гомозиготних за домінантними алелями самців (ЕЕVV) схрестили з гомозиготними за рецесивними алелями самками (ееvv), всі гібриди F₁ були однорідними – дигетерозиготами з домінантними проявами ознак у фенотипі (ЕеVv).

Потім з особинами F₁ проводили аналізуюче схрещування (схрещували їх з рецесивними дигомозиготами). Теоретично очікувалось два варіанти:

• якщо гени Е і V знаходяться у різних хромосомах, то розщеплення за фенотипом мало бути у співвідношенні 1:1:1:1 (дигетерозигота дає 4 типи гамет);

• якщо гени Е і V знаходяться у одній хромосомі (зчеплені), то розщеплення за фенотипом мало бути у співвідношенні 1:1 (дигетерозигота дає 2 типи гамет).

Насправді відбулось таке розщеплення станів ознак:

• 41,5% – особини з сірим тілом і нормальними крилами;

• 41,5% – особини з чорним тілом і недорозвиненими крилами;

• 8,5% – особини з сірим тілом і недорозвиненими крилами;

• 8,5% – особини з чорним тілом і нормальними крилами.

На підставі цих даних був зроблений висновок, що гени Е і V зчеплені, але в процесі мейозу під час утворення гамет має місце кросинговер між гомологічними хромосомами (хромосоми обмінюються ділянками, які включають гени Е і V). Тому схема аналізуючого схрещування виглядає так:

Р ♀AВ х ♂ab

аb ab

G AВ, аb (некросоверні) ab

аВ, Аb (кросоверні)

F АВ (41,5%), аb (41,5%), аВ (8,5%), Аb (8,5%).

аb ab ab ab

Хромосомна теорія спадковості Т.Моргана

1. Кожен вид характеризується певним хромосомним набором (каріотипом).

2. Хромосоми з локалізованими в них генами – основні носії спадковості.

3. Кожна хромосома галоїдного набору містить свій унікальний комплект генів.

4. Гени у хромосомі розміщені в лінійному порядку.

5. Кожен ген займає в хромосомі певний локус (алельні гени займають однакові локуси гомологічних хромосом).

6. У межах однієї хромосоми гени утворюють одну групу зчеплення. Кількість груп зчеплення дорівнює кількості хромосом у галоїдному наборі.

7. Зчеплення між генами може порушуватись, оскільки під час мейозу має місце кросинговер між гомологічними хромосомами (частота кросинговеру прямо пропорційна відстані між генами; сила зчеплення між генами обернено пропорційна відстані між ними).

Відстань між генами у хромосомі вимірюється в морганідах (1 морганіда – відстань між двома генами, при якій кросинговер відбувається у 1% гамет). Якщо відстань становить 50 морганід і більше, то стани ознак успадковуються незалежно (хоч гени і містяться в одній хромосомі).

Визначення відстані (частоти кросинговеру) між різними генами дає змогу створювати генетичні карти хромосом (на них зазначається порядок розміщення генів і відстань між ними).

Хромосомне визначення статі

Стать більшості роздільностатевих організмів визначається статевими хромосомами. Розрізняють:

• гомогаметна стать (ХХ) – утворює один тип гамет (Х);

• гетерогаметна стать (ХY або Х0) – утворює два типи гамет (Х, Y або Х, 0).

Типи хромосомного визначення статі:

• жіноча – гомогаметна (ХХ), чоловіча – гетерогаметна (ХY) – у ракоподібних, комах, частини риб, частини земноводних, ссавців, деяких дводомних рослин;

• жіноча – гетерогаметна (ХY), чоловіча – гомогаметна (ХХ) – у метеликів, частини риб, деяких земноводних, плазунів, птахів;

• жіноча – гомогаметна (ХХ), чоловіча – гетерогаметна (Х0) – у деяких червів, деяких прямокрилих, клопів;

• жіноча – гетерогаметна (Х0), чоловіча – гомогаметна (ХХ) – у живородної ящірки.

Якщо стать організму визначається у момент запліднення, то кількісне співвідношення особин різних статей становить 1:1.

Р ♀ХХ х ♂ХY Р ♀ХХ х ♂Х0

G Х Х, Y G Х Х, 0

F₁ ХХ, ХY F₁ ХХ, Х0

Інші механізми визначення статі:

• деякі організми (наприклад, коловертки) продукують морфологічно різні яйцеклітини, з яких після запліднення розвиваються самці і самки;

• деякі організми (наприклад, перетинчастокрилі) продукують різні типи яєць (незапліднені і запліднені), з яких відповідно розвиваються самці і самки;

• іноді на стать організму впливають фактори довкілля (наприклад, деякі черви, деякі риби, деякі земноводні, маючи зачатки чоловічих і жіночих статевих систем, можуть розвиватись у особин будь-якої статі або змінювати стать впродовж життя).

Успадкування, зчеплене зі статтю

Хромосоми Х та Y мають неоднаковий генний склад (Y менша за розмірами, тому не містить багатьох генів, які є в Х, проте має деякі, тільки їй властиві, гени). Тому в організмів з гетерогаметною статтю у фенотипі проявляються деякі рецесивні алелі.

У людини захворювання гемофілію, дальтонізм зумовлюють рецесивні алелі, розміщені в Х-хромосомі. Тому ці патології можуть мати, як правило, лише чоловіки (жінки можуть бути гетерозиготними «носіями» рецесивних алелів; хворіють у рідкісних випадках рецесивної гомозиготності).

А – N (норма) ; Р ♀Х^АХ^а х ♂Х^АY

а – гемофілія. G Х^А, Х^а Х^А, Y

F₁ Х^АХ^А (♀N), Х^АХ^а (♀носій), Х^АY (♂N), Х^аY (♂з гемофілією)

Гени, які контролюють розвиток гіпертрихозу (надмірної волосатості вушних раковин), раннього облисіння у людини, містяться в Y-хромосомі, тому фенотипно проявляються тільки у чоловіків.

А – N (норма) ; Р ♀ХХ х ♂ХY^а

а – гіпертрихоз. G Х Х, Y^а

F₁ ХХ (♀N), ХY^а (♂з гіпертрихозом)

У котів ген, що визначає забарвлення шерсті, міститься в Х-хромосомі (в Y-хромосомі відсутній). Алелі цього гена, що визначають різне забарвлення (чорне, руде), є домінантними і повністю проявляються у фенотипі гетерозиготи (кодомінування). Тому тільки самки котів можуть мати «черепахове» забарвлення шерсті (руді і чорні плями на білому фоні).

Взаємодія неалельних генів:

• епістаз – алель одного гена пригнічує прояв алелі іншого (пурпурове забарвлення очей у дрозофіли зумовлюється рецесивним алелем певного гена і може проявлятись у рецесивних гомозигот, але, якщо інший ген також перебуває у рецесивному гомозиготному стані, забарвлення не проявляється);

• комплементарність – два або більше домінантних алелів різних генів разом визначають розвиток певної ознаки (нормальний слух у людини забезпечується взаємодією двох домінантних алелів генів D (визначає нормальний розвиток завитки) і E (визначає нормальний розвиток слухового нерва); якщо хоча б один із цих генів перебуває в рецесивному гомозиготному стані, має місце глухота від народження);

• полімерія – домінантні алелі різних генів впливають на ступінь розвитку певної ознаки; ці гени позначаються однаковими символами з різними індексами: А₁, А₂, а₁, а₂… (ріст у людини визначається взаємодією кількох різних генів і прямо залежить від кількості їхніх домінантних алелів).

Множинна дія генів (плейотропія) – явище, коли один алель впливає на прояв станів різних ознак (захворювання галактоземія у людини визначається рецесивним алелем у гомозиготному стані; даний алель зумовлює порушення в процесі засвоєння організмом галактози, призводить до недоумкуватості, сліпоти, спричиняє цироз печінки).

Цитоплазматична спадковість – явище, коли певні структури цитоплазми, що містять генетичну інформацію (мітохондрії, пластиди), передаються від батьків до потомства (позаядерні гени визначають деякі ознаки, а також можуть впливати на прояв ознак, що визначаються ядерними генами).

Отже, генотип є цілісною системою, оскільки формування більшості ознак є результатом взаємодії як алельних, так і неалельних генів, а більшість генів впливають на прояв багатьох ознак.

Неспадкова (модифікаційна, фенотипна) мінливість – зміни фенотипу, спричинені факторами умов існування і не пов’язані зі змінами генотипу (прикладами модифікаційної мінливості є: диференціація личинок самок медоносної бджоли на цариць і робочих особин; різна форма листків у рослин стрілолиста, які ростуть у воді та на суші; різна вага генотипно подібних тварин, яких годують різною за калорійністю їжею тощо)..

Модифікації – реакції на зміни інтенсивності певних чинників довкілля, однакові для всіх генотипно подібних організмів. Ступінь вираження модифікацій прямо залежить від інтенсивності та тривалості дії на організм певного чинника. Модифікації можуть зберігатись протягом життя або зникати. Більшість модифікацій спрямована на пристосування організму до умов довкілля.

Те, що модифікації не успадковуються довів німецький вчений А.Вейсман (протягом багатьох поколінь відрізав мишам хвости, але у безхвостих батьків завжди народжувались хвостаті мишенята).

Норма реакції – межі модифікаційної мінливості ознаки, які визначаються генотипом (кожен ген зумовлює не конкретний ступінь розвитку певної ознаки, а межі, у яких вона може змінюватись). Різні ознаки мають різну норму реакції (наприклад, у людини взаємне розташування внутрішніх органів характеризується дуже вузькою нормою реакції, а маса тіла – широкою).

Варіаційний ряд – послідовність чисельних показників проявів певної ознаки (варіант), розташованих у порядку їх зростання чи зменшення. Довжина варіаційного ряду залежить від норми реакції і від умов довкілля (чим стабільніші умови, тим він коротший, і навпаки). Найбільша кількість варіант знаходиться в середній частині ряду (має середнє кількісне значення певної ознаки).

Варіаційний ряд, що відображає чисельні показники ширини листків пеларгонії:

1 (1см), 2 (2 см), 5 (3 см), 10 (4 см), 15 (5 см), 11 (6 см), 6 (7 см), 3 (8 см), 2 (9 см).

Варіаційна крива – графічне вираження кількісних показників мінливості певної ознаки (ілюструє норму реакції і частоту зустрічальності окремих варіант).

Спадкова (генотипна) мінливість – зміни генотипу.

Розрізняють комбінативну і мутаційну форми спадкової мінливості.

1. Комбінативна мінливість – виникнення різних поєднань алельних генів (генетичних рекомбінацій); її джерелами є:

в еукаріот:

• кон’югація і кросинговер гомологічних хромосом у профазі-І мейозу;

• незалежне розходження гомологічних хромосом в анафазі-І мейозу;

• випадкове поєднання алельних генів при злитті гамет;

у прокаріот:

• перенесення генетичної інформації від однієї клітини до іншої з участю бактеріофагів.

2. Мутаційна мінливість – виникнення мутацій – раптових стійких змін генетичного матеріалу, які призводять до змін тих чи інших спадкових ознак організму (основи вчення про мутації заклав голландський учений Гуго де Фріз).

Мутації розрізняють:

в залежності від місця виникнення:

• генеративні – виникають у статевих клітинах;

• соматичні – виникають у нестатевих (соматичних) клітинах;

в залежності від впливу на життєздатність організмів:

• летальні – спричиняють загибель організмів;

• сублетальні – знижують життєздатність організмів;

• нейтральні – за певних умов не впливають на життєздатність організмів;

• корисні – за певних умов підвищують життєздатність організмів (корисними у змінних умовах існування можуть стати деякі нейтральні мутації);

в залежності від характеру змін генетичного апарату:

• генні (точкові) – зміни окремих генів, спричинені порушенням послідовності нуклеотидів у ДНК; бувають домінантними (проявляються у фенотипі гетерозиготи), субдомінантними (частково проявляються у фенотипі гетерозиготи) і рецесивними (фенотипно проявляються лише в гомозиготному стані):

  • делеції – випадіння одного чи кількох нуклеотидів;

  • вставки – поява зайвих одного чи кількох нуклеотидів;

  • дуплікації – подвоєння ділянок, що включають один чи кілька нуклеотидів;

  • інверсії – повертання ділянок, що включають певну кількість нуклеотидів, на 180°;

  • заміни – заміни одних нуклеотидів іншими;

• хромосомні – зміни кількості або структури хромосом:

  • зміни кількості хромосом (геномні мутації):

    • анеуплоїдія – втрата окремих хромосом або поява зайвих (виникає внаслідок нерозходження гомологічних хромосом у мейозі);

    • еуплоїдія (поліплоїдія) – поява зайвих гаплоїднних хромосомних наборів (при цьому виникають триплоїдні, тетраплоїдні, пентаплоїдні і т.д. клітини чи організми); є дві форми поліплоїдії: автополіплоїдія (виникає як штучним, так і природним шляхом у певного виду організмів; серед відомих видів покритонасінних близько половини – поліплоїди); аллополіплоїдія (виникає у випадку штучного подвоєння кількості хромосом у стерильного гібрида, в результаті чого він стає фертильним; для більшості аллополіплоїдних видів характерний диплоїдний набір хромосом, що являє собою суму диплоїдних наборів батьківських клітин);

  • зміни структури хромосом (хромосомні аберації):

    • делеції – випадіння певних ділянок, що включають один чи кілька генів;

    • вставки – поява зайвих ділянок, що включають один чи кілька генів;

    • дуплікації – подвоєння ділянок, що включають один чи кілька генів;

    • інверсії – повертання ділянок, що включають один чи кілька генів, на 180°;

    • транслокації – переміщення (вирізання і вбудовування) певних ділянок, що включають один чи кілька генів, в інше місце тієї ж хромосоми або іншої негомологічної хромосоми;

в залежності від способу виникнення:

• природні – виникають спонтанно, мають неспрямований характер;

• штучні – спричиняються людиною (через застосування мутагенних факторів); використовуються в селекції рослин та мікроорганізмів, в розробці генетичних методів боротьби з шкідливими організмами.

Мутагенні фактори (мутагени) – фактори універсальної дії, здатні спричиняти генні та хромосомні мутації будь-яких організмів:

• фізичні – підвищена температура, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське або гамма-випромінювання;

• хімічні – газ іприт, алкалоїд колхіцин (руйнує веретено поділу);

• біологічні – віруси.

Різні види (різні особини одного виду) відрізняються за чутливістю до мутагенів. На ранніх стадіях розвитку організми більш чутливі до дії мутагенних факторів, ніж дорослі особини.

Закон гомологічних рядів спадкової мінливості (сформульований російським ученим М.І.Вавиловим): генетично близькі види та роди характеризуються подібними рядами спадкової мінливості з такою точністю, що, вивчивши ряд форм у межах одного виду чи роду, можна передбачити наявність форм із подібним поєднанням ознак у межах близьких видів чи родів.

Генетичною основою закону гомологічних рядів спадкової мінливості є те, що ступінь історичної спорідненості організмів прямо пропорційний кількості спільних генів у груп, які порівнюються.

Закон генетичної рівноваги у популяціях (сформульований англійським ученим Г.Харді та німецьким ученим В.Вайнбергом): у чисельній популяції, особини якої вільно схрещуються між собою (панміксія), за відсутності факторів, що змінюють концентрацію генів, відсутності добору, мутацій, міграції особин, співвідношення алельних генів (А, а) і генотипів (АА, Аа, аа) з покоління в покоління залишається сталим.

Виведення формули Харді-Вайнберга

Нехай в умовній популяції співвідношення генотипів таке:

4АА : 4Аа : 2аа (або 0,4АА : 0,4Аа : 0,2аа).

Тоді частоти зустрічальності алелів А і а будуть такими:

А = 0,8 + 0,4 = 1,2; а = 0,4 + 0,4 = 0,8.

Тобто, співвідношення алелів А і а – 1,2А : 0,8а.

Ці алелі розподіляються між гаметами. Якщо прийняти, що кількість ♀ чи ♂ гамет дорівнює одиниці, то співвідношення гамет з різними алелями буде 0,6А : 0,4а.

Співвідношення генотипів у F₁:

Гамети, ♀\♂	0,6А	0,4а
0,6А	0,36АА	0,24Аа
0,4а	0,24Аа	0,16аа

0,36АА : 0,48Аа : 0,16аа.

Співвідношення алелів у F₁: (0,72 + 0,48)А : (0,48 + 0,32)а = 1,2А : 0,8а.

Співвідношення гамет, які утворить F₁, буде таке саме, як і в батьківських особин, а значить і співвідношення генотипів у F₂ буде таким, як у F₁, і так далі.

Якщо позначити частоту алеля А через р, а частоту алеля а через q (рА + qа = 1), то співвідношення генотипів буде: р²АА + 2рqАа + q²аа = 1 (скорочений запис: (рА + qа)² = 1).

Генетика людини

У генетиці людини використовуються генеалогічний, цитогенетичний, біохімічний та близнюковий методи.

Каріотип людини включає 46 (23 пари) хромосом. З них 44 (22 пари) – аутосоми і 2 (ХХ або ХY) – статеві хромосоми. Генотип людини містить близько 100000 генів (за деякими даними – 45000). Сьогодні повністю розшифровано нуклеотидну послідовність ДНК людини, але локалізацію всіх генів ще не встановлено.

Відомо біля 4000 спадкових захворювань, пов’язаних з порушенням структури окремих генів. Для багатьох із них встановлено біохімічний шлях від первинного продукту аномального гена до формування патологічної ознаки.

Більшість генетичних порушень є несумісними з життям (при серйозних аномаліях розвитку відбуваються самовільні аборти (викидні) або має місце мертвонародження). У багатьох випадках спадкові захворювання супроводжуються безпліддям або незначною тривалістю життя (недосягненням репродуктивного періоду).

Крім спадкових хвороб, існує так звана спадкова схильність до багатьох захворювань (гіпертонії, ішемії, цукрового діабету, рахіту, артриту, раку, шизофренії, алкоголізму тощо).

Спадкове захворювання	Порушення генотипу	Успадку-вання	Особливості патології
Серпоподібно-клітинна анемія	генна мутація в 11 парі хромосом	кодомі-нантне аутосомне	утворення аномального гемоглобіну, зміна форми еритроцитів, анемія, порушення кровообігу
Муковісцидоз	генна мутація в 7 парі хромосом	рецесивне аутосомне	порушення механізму транспорту Сl– в мембранах епітеліальних клітин, утворення густого секрету в легенях, печінці, підшлунковій залозі
Феніл-кетонурія	генна мутація в 12 парі хромосом	рецесивне аутосомне	недостатність фермента фенілаланінгідроксилази (фенілаланін не перетворюється на тирозин і накопичується), аномалія розвитку головного мозку
Хорея Гентингтона	генна мутація в 4 парі хромосом	домінантне аутосомне	порушення метаболізму клітин головного мозку, поступове руйнування тканини мозку (розвивається в середньому віці)
Хвороба Тея-Сакса	генна мутація в ? парі хромосом	рецесивне аутосомне	руйнування мієлінових оболонок нервових волокон на першому році життя (до 3 років наступає смерть)
Гемофілія	генна мутація в Х-хромосомі	рецесивне зчеплене зі статтю	порушення структури білкових факторів зсідання крові, нездатність крові зсідатись
Дальтонізм	генна мутація в Х-хромосомі	рецесивне зчеплене зі статтю	недостатність світлочутливих функцій колбочок, порушення здатності сприймати червоний і зелений кольори
Синдром Дауна	хромосомна мутація – зайва хромосома в 21 парі	_	характерні риси обличчя (плоске, розкосі очі, малий ніс, широка переносиця), характерна чітко виражена одна поперечна лінія на долоні, розумова відсталість, незначна тривалість життя, безпліддя
Синдром Едварса	хромосомна мутація – зайва хромосома у 18 парі	_	характерні риси обличчя (малий рот, вузькі очні щілини, малі низько розміщені вушні раковини), порушення серцево-судинної, травної та сечостатевої систем, у 90% випадків – смертність до 1 року (ті, що виживають, мають ідіотію (олігофренію))
Синдром Патау	хромосомна мутація – зайва хромосома у 13 парі	_	мала голова, вузькі очні щілини, деформовані низько розміщені вушні раковини, розсічена верхня губа і піднебіння, полідактилія (6 пальців на кінцівках) порушення серцево-судинної, травної, сечостатевої систем, органів зору, у 95% випадків – смертність до 1 року (ті, що виживають, мають ідіотію)
Синдром Клайнфель-тера	хромосомна мутація – зайва Х-хромосома в парі ХY (ХХY)	_	високий зріст, розвиток вторинних жіночих ознак (жіночий тип статури тіла, збільшення молочних залоз, високий голос), розумова відсталість, безпліддя в особи чоловічої статі
Синдром трисомії за Х-хромосомою («трипло-Х»)	хромосомна мутація – зайва Х-хромосома в парі ХХ (ХХХ)	_	високий зріст, емоційно-вольові порушення, схильність до шизофренії в особи жіночої статі
Синдром Тернера	хромосомна мутація – відсутня Х-хромосома в парі ХХ (Х0)	_	малий зріст, крилоподібні шкірні складки на шиї, порушення опорно-рухової, серцево-судинної та сечостатевої систем, розумова відсталість, безпліддя в особи жіночої статі
Синдром дисомії за Y-хромосомою	хромосомна мутація – зайва Y-хромосома в парі ХY (ХYY)	_	високий зріст, збільшені вушні раковини, порушення росту зубів, деформація колінних і ліктьових суглобів, емоційно-вольові порушення (імпульсивність, агресивність) у особи чоловічої статі

Медичні заходи щодо профілактики і лікування спадкових порушень:

• медико-генетичні консультації при плануванні дітонародження;

• рання дородова діагностика (зокрема, пошук мутантних генів – генетичний скринінг) УЗД, аналіз крові матері, аналіз амніотичної рідини, лабораторні дослідження клітин плодових оболонок (аналіз ДНК);

• хірургічна корекція (відразу після народження оперують дітей із «заячою губою», «вовчою пащею»);

• дієтотерапія (якщо у новонародженого проба на фенілкетонурію дає позитивний результат, то до 3 років дитину годують спеціальною їжею, яка містить компоненти, що не дають хворобі розвинутись).