2.3 Популяционный уровень

Генетическая популяция - один из важнейших факторов, определяющих особенности передачи по наследству различных признаков.

Популяционная генетика исследует закономерности распределения генов и генотипов в популяциях.

В медицинской практике нередко появляется необходимость установить количественные соотношения людей с различными генотипами по какому-либо аллею, включающему патологический ген, или частоту встречаемости этого гена среди населения. Расчёты ведутся в соответствии с положениями закона Харди-Вайнберга. Этот закон разработан для популяций, отвечающих следующим условиям:

-свободное скрещивание, т.е. отсутствие специального подбора пар по каким-либо отдельным признакам;

-отсутствие оттока генов за счёт отбора или миграции особей за пределы данной популяции;

-отсутствие оттока генов за счёт отбора или миграции особей в данную популяцию извне;

-равная плодовитость гомозигот и гетерозигот. Такая популяция называется равновесной.

Закон Харди-Вайнберга применим к анализу крупных популяций, где нет тенденции подбора пар с соответствующими генотипами.

Первое положение закона Харди-Вайнберга гласит: сумма частот генов одного аллеля в данной популяции есть величина постоянная. Это записывается формулой

p + q=1 где p-число доминантных генов аллеля А, q - число рецессивных генов того же аллеля а. Обе величины обычно принято выражать в долях единицы, реже - в процентах (тогда p+q=100).

Частота определённых пар генов устанавливается естественным отбором в ряде предшествовавших поколений.

Второе положение закона Харди-Вайнберга: сумма частот генотипов по одному аллелю в данной популяции есть величина постоянная, а распределение их соответствует коэффициентам бинома Ньютона второй степени. Формула для исчисления частот генотипов P² + 2pq+ q²= 1, где p² - число гомозиготных особей по доминантному гену (генотип АА), 2pq - число гетерозигот (генотип Аа), q² - число гомозиготных особей по рецессивному гену (генотип аа).

Закон Харди-Вайнберга включает ещё одно важное положение: в равновесной популяции частоты генов и частоты генотипов сохраняются в ряде поколений.

Анализ популяций с позиций основных положений закона Харди-Вайнберга позволяет наглядно представить весь механизм различных форм естественного отбора, а по изменениям частот генов в ряде последовательных поколений выяснить направление изменчивости конкретной популяции.

Положение закона Харди-Вайнберга применимы и к множественным аллелям. Тогда в случае трёх аллельных генов частоты их могут быть выражены как p+q+r =1, а частоты генотипов - как p + q + r =1, а частоты генотипов - как p² + q² + r² + 2 pq +2 pr + 2 qr =1

Факторы, влияющие на изменение частот аллелей в популяции

Миграция – процесс перемещения особей из одной популяции в другую и последующие скрещивание представителей этих двух популяций. Миграция обеспечивает «поток генов».

Случайный дрейф генов – изменение частот аллелий в ряду поколений, являющийся результатом действия случайных причин. Например резким сокращением размера популяций в результате войны или голода.

Естественный отбор – процесс дифференциального воспроизводства потомства генетически различными организмами в популяции.

Подстановка генов (полная замена одного аллеля на другой) – процесс в результате которого аллель мутант вытесняет исходно доминирующий аллель дикого типа.

Мутации — основной источник генетического полиморфизма, т.е. наличия в популяции нескольких аллелей одного локуса. Внезапные, естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных фенотипических признаков организма.

Факторы, влияющие на динамику изменения частот генотипов в популяции.

Инбридинг – один из вариантов не случайного скрещивания, когда потомство производится особями, являющимися генетическими родственниками друг другу.

Мерой генетических последствий инбридинга служит коэффици­ент инбридинга, представляющий собой вероятность того, что у какой-либо особи в данном локусе окажутся два аллеля, идентичные по происхождению, т.е. точные копии аллеля, имевшегося в генотипе одного из прародителей этой особи в каком-то из предшествующих поколений. Коэффициент инбридинга обычно обозначается буквой F..

Ассортативность – процесс не случайного заключения брака, которое может изменять оценки наследуемости признака, влиять на его вариативность в популяции.

3. Прогресс современной генетики вплоть до открытия молекулярных основ наследственности обеспечила, в основ­ном, работа генетиков с качественными полиморфизмами, поскольку закономерности наследования этих признаков до­статочно просты и более доступны для генетического ана­лиза. В основе наследования качественных признаков лежат закономерности, впервые открытые Грегором Менделем.

Долгое время материальный субстрат наследственнос­ти представлялся гомогенным веществом. Считалось, что наследственное вещество родителей смешивается у потом­ства подобно двум взаиморастворимым жидкостям. В соот­ветствии с этой точкой зрения гибриды, то есть организмы, полученные в результате объединения наследственного ма­териала различающихся форм, должны представлять собой нечто промежуточное между родителями. И действительно, многие гибриды соответствуют таким представлениям. Г.Мендель первым показал, что наследственные задатки не смешиваются, а передаются из поколения в поколение в виде неизменных дискретных еди­ниц. Наследственные единицы передаются через мужские и женские половые клетки — гаметы. У каждой особи наслед­ственные единицы встречаются парами, тогда как в гаметах находится лишь по одной единице из каждой пары.

Г.Мендель назвал единицы наследственности "элемен­тами". В 1900 году, когда законы Менделя'были открыты повторно и получили признание, единицы наследственности были названы "факторами". В 1909 году датский ученый В.Иогансен дал им другое имя — "гены", а в 1912 году аме­риканский генетик Т.Морган показал, что гены находятся в хромосомах.

Г.Мендель работал с различными сор­тами гороха. По сравнению с другими растениями горох обла­дает рядом преимуществ для проведения экспериментов по скрещиванию. Во-первых, сорта гороха четко различаются по ряду признаков (это означает, что Г.Мендель экспериментиро­вал с качественными признаками, полиморфизмами). Во-вто­рых, горох является самоопыляющимся растением, тем самым поддерживается чистота сорта, то есть сохранение признака из поколения в поколение. В-третьих, можно путем искусствен­ного опыления скрещивать растения и получать нужные гибри­ды. Гибриды также могут давать потомство, то есть являются плодовитыми, что, кстати, встречается не всегда. Иногда гиб­риды при отдаленном скрещивании бесплодны.

Г.Менделю удалось подобрать такие пары контрастиру­ющих признаков, которые, как это было установлено позже, обладают простым типом наследования. Г.Менделя интересо­вали такие признаки, как форма семян (гладкая или морщини­стая), окраска семян (желтая или зеленая), окраска цветков (белые или окрашенные) и некоторые другие.

Подобные опыты по гибридизации растений не раз про­водились и до Г.Менделя, но никто не смог получить таких всеобъемлющих данных, а главное, усмотреть в них законо­мерности наследственности.

Основным принципом исследования была поэтапность — все внимание сначала концентрировалось на одной переменной, что упрощало анализ, затем Г.Мендель присту­пал к анализу другой. Все методики строжайше соблюдались, чтобы не вносить искажения в результаты; полученные дан­ные тщательно регистрировались. Г.Мендель провел множе­ство экспериментов и получил достаточное количество данных для обеспечения статистической достоверности результатов. В выборе же экспериментального объекта Г.Менделю, действи­тельно, во многом повезло, поскольку на наследовании ото­бранных им признаков не сказывались некоторые более слож­ные закономерности, открытые позднее.

Моногибридное скрещивание и первый закон Менделя

Изучая результаты скрещивания растений с альтерна­тивными признаками (например, семена гладкие — семена мор­щинистые, цветки белые — цветки окрашенные), Г.Мендель об­наружил, что гибриды первого поколения (F1), полученные с помощью искусственного опыления, не являются промежуточ­ными между двумя родительскими формами, а в большинстве случаев соответствуют одной из них. Например, при скрещи­вании растений с окрашенными и белыми цветками все потом­ство первого поколения имело окрашенные цветки (таблица 3.1). Тот признак родителя, которым обладали растения пер­вого поколения, Г.Мендель назвал доминантным (от латинско­го dominans — господствующий). В приведенном примере до­минантным признаком будет наличие окраски у цветков.

От экспериментально полученных гибридов уже путем самоопыления Г.Мендель получил потомство второго поколе­ния (F2) и обнаружил, что эти потомки не являются одинако­выми: часть из них несет признак того родительского расте­ния, который не проявился у гибридов первого поколения. Та­ким образом, признак, отсутствовавший в поколении F1, вновь проявился в поколении F2. Г.Мендель сделал заключение, что этот признак присутствовал в поколении F1 в скрытом виде. Г.Мендель назвал его рецессивным (от латинского recessus — отступление, удаление).

Г.Мендель провел целую серию аналогичных опытов с разными парами альтернативных признаков и всякий раз тща­тельно подсчитывал соотношение растений с доминантными и рецессивными признаками. Во всех случаях анализ показал, что отношение доминантных признаков к рецессивным в поко­лении F2 составляло примерно 3:1.

В третьем поколении (F3), полученном также путем са­моопыления растений из поколения F2, оказалось, что те ра­стения из второго поколения, которые несли рецессивный при­знак, дали нерасщепляющееся потомство; растения с доми­нантным признаком частично оказались нерасщепляющимися (константными), а частично дали такое же расщепление, как и гибриды F1 (3 доминантных на 1 рецессивный).

Заслуга Г.Менделя в том, что он понял: такие соотно­шения признаков в потомстве могут быть только следствием существования обособленных и не изменяющихся единиц на­следственности, передаваемых с половыми клетками от по­коления к поколению. Г.Мендель ввел буквенные обозначе­ния для доминантного и рецессивного факторов, причем до­минантные обозначались большими буквами, а рецессив­ные— маленькими.

Выводы Менделя сводились к следующему:

1. Поскольку исходные сорта являются чистыми (не расщеп­ляются), это означает, что у сорта с доминантным призна­ком должно быть два доминантных фактора (АА), а у сор­та с рецессивным признаком — два рецессивных (аа).

2. Половые клетки содержат только один фактор (у доми­нантного — А, у рецессивного — а).

3. Растения первого поколения F1 содержат по одному фак­тору, полученному через половые клетки от каждого из родителей, то есть А и а (Аа).

4. В поколении F1 факторы не смешиваются, а остаются обособленными.

5. Один из факторов доминирует над другим.

6. Гибриды F1 образуют с равной частотой два рода половых клеток: одни из них содержат фактор А, другие— а.

7. При оплодотворении женская половая клетка типа А бу­дет иметь равные шансы соединиться как с мужской по­ловой клеткой, несущей фактор А, так и с мужской клет­кой, несущей фактор а. То же справедливо и для женских половых клеток типа а.

Первый закон Менделя, закон расщепления:

при образовании гамет происходит разделение пары наслед­ственных родительских факторов, так что в каждую гамету попадает только один из них. Согласно этому закону, при­знаки данного организма детерминируются парами внутрен­них факторов.

Дигибридное скрещивание и второй закон Менделя

Установив закономерности расщепления при скрещива­ниях по одной паре альтернативных признаков, Г.Мендель пе­решел к изучению наследования двух пар таких признаков. Скрещивание особей, несущих две пары различающихся при­знаков (например, гладкие и одновременно желтые семена и морщинистые и одновременно зеленые семена) носит назва­ние дигибридного скрещивания.

Допустим, что одно родительское растение несет доми­нантные признаки (гладкие желтые семена), а другое — ре­цессивные признаки (морщинистые зеленые семена). Г.Мен­дель уже знал, какие признаки доминантны, и то, что в поко­лении F1 все растения имели гладкие желтые семена, не было удивительно. Г.Менделя интересовало расщепление призна­ков во втором поколении F2. Соотношение разных сочетаний признаков оказалось таким:

гладких желтых — 9, морщинистых желтых — 3, гладких зеленых — 3,

морщинистых зеленых — 1, то есть 9:3:3:1.

Таким образом, в поколении F2 появилось два новых со­четания признаков: морщинистые желтые и гладкие зеленые. На основании этого Г.Мендель сделал заключение, что на­следственные задатки родительских растений, которые объе­динились в поколении F1, в последующих поколениях разделя­ются и ведут себя независимо — каждый признак из одной пары может сочетаться с любым признаком из другой пары - второй закон Менделя, принцип независимого распределения.

Расщепление при дигибридном скрещивании также мож­но себе представить в виде таблицы, если доминантные фак­торы обозначить буквами А и В, а рецессивные — а и Ь. Тог­да родительские формы будут ААВВ и ааЬЬ, их гаметы — АВ и аЬ, а гибриды первого поколения F1 — АаВЬ. Соответ­ственно, у этих гибридов возможны четыре типа гамет (схема № 10). Решетки Пеннета позволяет свести к минимуму ошибки, которые могут воз­никнуть при составлении всех возможных сочетаний гамет.

Наиболее важное положение, следующее из второго за­кона Менделя, состоит в том, что наследственные факторы скрещиваемых сортов при образовании гамет могут образо­вывать новые сочетания, или рекомбинировать.

Значение открытий Менделя, к сожалению, не было оце­нено при его жизни. Вероятно, это объяснялось тем, что в то время еще не удалось определить структуры в гаметах, через которые осуществляется передача наследственных факторов от родителей к потомкам. Только к концу XIX века в связи с повышением разрешающей способности микроскопов стали вестись наблюдения за поведением клеточных структур во время оплодотворения и деления клеток, что привело к созда­нию хромосомной теории наследственности.