15. Закономерности наследования при моногибридном скрещивании. Дигибридное и полигибридное скрещивание. Общая

формула расщепления при независимом наследовании.

Пра­вило единообразия гибридов первого поколения. В опытах Мен­деля при скрещивании сортов гороха, имеющих желтые и зеленые семена, все потомство (т. е. гибриды первого поколения) оказалось с желтыми се­менами.

Обнаруженная закономерность по -лучила название правила единообразия гибридов первого поколения. Признак, проявляющийся в первом поколении, получил название доминантного (лат. ёогшпапз — господствовать), не про­являющийся, подавленный — рецессив­ного (лат. recessus — отступление).

Опыты показали, что рецессивный аллель проявляется только в гомозиготном состоянии, а доминант­ный — как в гомозиготном, так и в ге­терозиготном.

Гены расположены в хромосомах. Следовательно, в результате мейоза гомологичные хромосомы (а с ними аллельные гены) расходятся в различ­ные гаметы. Но так как у гомозиготы оба аллеля одинаковы, все гаметы не­сут один и тот же ген. Таким образом, гомозиготная особь дает один тип га­мет.

Следовательно, первый закон Мен­деля, или закон единообразия гибри­дов первого поколения, в общем виде можно сформулировать так: при скре­щивании гомозиготных особей, отли­чающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все потомство в первом поколении единообразно как по фенотипу, так и по гено­типу.

Правило расщепления. При скре­щивании однородных гибридов пер­вого поколения между собой (самоопы­ление или родственное скрещивание) во втором поколении появляются осо­би как с доминантными, так и с рецес­сивными признаками, т. е. наблюдается расщепление.

Обобщая фактический материал, Мендель пришел к выводу, что во втором поколении происходит расщеп­ление признаков в определенных частотных соотношениях, а именно: 75 % особей имеют доминантные при­знаки, а 25 % — рецессивные. Эта закономерность получила название второго правила Менделя, или пра­вила расщепления.

Согласно второму правилу Менделя, используя современные термины, мож­но сделать вывод, что: 1) аллельные гены, находясь в гетерозиготном со­стоянии, не изменяют друг друга; "} при созревании гамет у гибридов образу­ется приблизительно равное число гамет с доминантными и рецессивными аллелями; 3) при оплодотворении муж­ские и женские гаметы, несущие доми­нантные и рецессивные аллели, сво­бодно комбинируются.

При скрещивании двух гетерозигот (Аа), у каждой из которых образует­ся два типа гамет — половина с доми-нантным аллелем (А), половина с ре­цессивным аллелем (а), следует ожи­дать четыре возможных сочетания.

Таким образом, второе правило Мен­деля формулируется так: при скрещивании двух гетерозиготных особей, т. е. гибридов, анализируемых по одной аль­тернативной паре признаков, в по­томстве наблюдается расщепление по фенотипу в соотношении 3:1 и по генотипу 1:2:1.

Гипотеза «чистоты гамет», Правило расщепления показывает, что хотя у гетерозйгот проявляются лишь доминантные признаки, однако рецессивный ген не утрачен, более того, он не изменился.

Следовательно, аллельные гены, находясь в гетерози­готном состоянии, не сливаются, не разбавляются, не изменяют друг дру­га. Эту закономерность Мендель на­звал гипотезой «чистоты гамет». В даль­нейшем эта гипотеза получила цито­логическое обоснование. Вспомним, что в соматических клетках диплоид­ный набор хромосом. В одинаковых местах (локусах) гомологичных хромо­сом находятся аллельные гены. Если это гетерозиготная особь, то в одной из гомологичных хромосом расположен доминантный аллель, в другой.— ре­цессивный. При образовании половых клеток происходит мейоз и в каждую из гамет попадает лишь одна из гомо­логичных хромосом. В гамете может быть лишь один из аллельных генов. Гаметы остаются «чистыми», они несут только какой-то один из аллелей, опре­деляющий развитие одного из альтер­нативных признаков.

Доминантные и рецессивные признаки в наследственности человека. В генетике человека извест­но много как доминантных, так и рецес­сивных признаков. Одни из них имеют нейтральный характер и обеспечивают полиморфизм в челове­ческих популяциях, другие приводят к различным патологическим состоя­ниям. Но при этом следует иметь в виду, что доминантные патологические признаки как у человека, так и у дру­гих организмов, если они заметно сни­жают жизнеспособность, сразу же бу­дут отметены отбором, так как носи­тели их не смогут оставить потом­ства.

Наоборот, рецессивные гены, даже заметно снижающие жизнеспособ­ность, могут в гетерозиготном состоя­нии длительно сохраняться, переда­ваясь из поколения в поколение, и проявляются лишь у гомозигот.

Анализирующее скрещивание. Генотип организма, имеющего рецес­сивный признак, определяется по его фенотипу. Такой организм обязатель­но должен быть гомозиготным по рецессивному гену, так как в случае гетерозиготности у него был бы доми­нантный признак. Проявляющие до­минантные признаки гомозиготная и гетерозиготная особи по фенотипу не­отличимы. Для определения генотипа в опытах на растениях и животных про­изводят анализирующие скрещивания и узнают генотип интересующей особи по потомству. Анализирующее скре­щивание заключается в том, что особь, генотип которой неясен, но должен быть выяснен, скрещивается с ре­цессивной формой. Если от такого скрещивания все потомство окажется однородным, значит анализируемая особь гомозиготна, если же произойдет расщепление, то она гетерозиготна.

Неполное доминирование. В своих опытах Мендель имел дело с при­мерами полного доминирования, поэто­му гетерозиготные особи в его опытах оказались неотличимы от доминантных гомозигот. Но в природе наряду с полным доминированием часто на­блюдается неполное, т. е. гетерозиго-ты имеют иной фенотип.

Свойством неполного доминирова­ния обладает ряд генов, вызывающих наследственные аномалии и болезни человека. Например, так наследуются серповидноклеточная анемия (о ней подробнее будет сказано ниже), атак­сия Фридрейха, характеризуемая про­грессирующей потерей координации произвольных движений. По типу неполного доминирования наследует­ся цистинурия. У гомозиготно рецес­сивным аллелям этого гена в почках образуются цистиновые камни, а у гетерозйгот обнаруживается лишь по­вышенное содержание цистина в моче. У гомозигот по гену пильгеровой ане­мии отсутствует сегментация в ядрах лейкоцитов, а у гетерозйгот сегмента­ция есть, но она все же необычная.

Отклонения от ожидаемого расщепления, связанные с ле­тальными генами. В ряде случаев расщепление во втором поколении может отличаться от ожидаемого в связи с тем, что гомозиготы по не­которым генам оказываются нежизне­способными.

Подобный тип наследования харак­терен, например, для серых каракуль­ских овец, у которых при скрещивании между собой наблюдается расщепление в соотношении 2:1. Оказалось, что ягнята, гомозиготные по доминант­ному аллелю серой окраски, гибнут из-за недоразвития пищеварительной системы. У человека аналогично насле­дуется доминантный ген брахидактилии (укороченные пальцы). Признак проявляется в гетерозиготном состоя­нии, а у гомозигот этот ген приводит к гибели зародышей на ранних ста­диях развития.

Полигибридное скрещивание. Дигпбридное скрещивание как при­мер полигибридного скрещива­ния. При полигибридном скрещива­нии родительские организмы анализи­руются по нескольким признакам. Примером полигибридного скрещива­ния может служить дигибридное, при котором у родительских организмов принимаются во внимание отличия по двум парам признаков. Первое поколе­ние гибридов в этом случае оказывает­ся однородным, проявляются только доминантные признаки, причем доминирование не зависит от того, как при­знаки были распределены между ро­дителями.

Правило независимого комби­нирования признаков. Изучая рас­щепление при дигибридном скрещива­нии, Мендель обнаружил, что призна­ки наследуются независимо друг от друга. Эта закономерность, известная как правило независимого комбиниро­вания признаков, формулируется сле­дующим образом: при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся двумя (или более) парами альтерна­тивных признаков, во втором поколе­нии F₂) наблюдается независимое на­следование и комбинирование призна­ков, если гены, определяющие их, рас­положены в различных гомологичных хромосомах. Это возможно, так как при мейозе распределение (комбини­рование) хромосом в половых клетках при их созревании идет независимо, что может привести к появлению по­томков, несущих признаки в сочета­ниях, не свойственных родительским и прародительским особям.

В более общей форме, при любых скрещиваниях, расщепление по фено­типу происходит по формуле (3 + 1)ⁿ, где п — число пар признаков, приня­тых во внимание при скрещивании.

Взаимодействие генов: 1) одной аллельной пары (неполное доминир., полное дом., сверхдом., кодом.); 2) разных ал.пар (комплемент.действие, эпистаз, полимерия).

Доминирование проявля­ется в тех случаях, когда один аллель гена полностью скрывает присутствие другого аллеля. Однако, по-видимому, чаще всего присутствие рецессивного аллеля как-то сказывается, и обычно приходится встречаться с различной степенью неполного доминирования. Это объясняется тем, что доминантный аллель отвечает за активную форму белка-фермента, а рецессивные аллели часто детерминируют те же белки-ферменты, но со сниженной фермента­тивной активностью. Это явление иреализуется у гетерозиготных форм в виде неполного доминирования.

Сверхдоминирование за­ключается в том, что у доминантного аллеля в гетерозиготном состоянии иногда отмечается более сильное про­явление, чем в гомозиготном состоя­нии.

Кодоминирование — про­явление в гетерозиготном состоянии признаков, детерминируемых обоими аллелями. Например, каждый из ал-лельных генов кодирует определенный белок, и у гетерозиготного организма синтезируются они оба. В таких слу­чаях путем биохимического исследова­ния можно установить гетерозигот-ность без проведения анализирующего скрещивания. Этот метод нашел рас­пространение в медико-генетических консультациях для выявления гетеро­зиготных носителей генов, обусловли­вающих болезни обмена. По типу кодо-минирования у человека наследуется четвертая группа крови.

Сложные отношения возникают меж­ду неаллельными парами генов.

Комплементарное дей­ствие. Комплементарными (лат. complementum — средство пополнения) называются взаимодополняющие гены, когда для формирования признака необходимо наличие нескольких не-аллельных (обычно доминантных) ге­нов. Этот тип наследования в природе широко распространен.

У душистогр горошка окраска вен­чика цветка обусловлена нал чем двух доминантных генов (А и B), в отсутствие одного ' из них — цветки белые. Поэтому при скрещивании рас­тений с генотипами ААЬЪ и ааВВ, имеющих белые венчики, в первом поколении растения оказываются ок­рашенными, а во втором поколении расщепление происходит в соотноше­нии 9 окрашенных к 7 неокрашенным (ЗАbb + ЗааВ + 1ааbb).

Комплементарное взаимодействие ге­нов у человека можно показать на следующих примерах. Нормальный слух' обусловлен двумя доминантными неаллельными генами D и Е, из кото­рых один определяет развитие улитки, а другой—слухового нерва. Доминант­ные гомозиготы и гетерозиготы по обоим генам имеют нормальный слух, рецессивные гомозиготы по одному из этих генов — глухие.

Эпистаз. Взаимодействие генов, противоположное комплементарному, получило название эпистаза. Под эпистазом понимают подавление неаллельным геном действия другого гена, названного гипостатическим.

Проявление эпистаза у человека можно показать на следующем при­мере. Ген, обусловливающий группы крови по системе Л 60, кодирует не только синтез специфических белков, присущих данной группе крови, но и наличие их в слюне и других секре­тах. Однако при наличии в гомозигот­ном состоянии рецессивного гена по другой системе крови — системе Люис выделение их в слюне и других секре­тах подавлено. Другим примером эпи­стаза у человека может служить «бомбейский феномен» в наследовании групп крови. Он описан у женщины, получившей от матери аллель 1^В, но фенотипическн имеющей первую группу крови. Оказалось, что деятель­ность аллеля 1^В подавлена редким рецессивным аллелем гена «х», ко­торый в гомозиготном состоянии оказы­вает эпистатическое действие.

В проявлении ферментопатий (т. е. болезней, связанных с отсутствием каких-либо ферментов) нередко по­винно эпистатическое взаимодействие генов, когда наличие или отсутствие продуктов реализации какого-либо гена препятствует образованию жиз­ненно важных ферментов, кодируемых другим геном.

Полимерия. Различные- доми­нантные неаллельные гены могут ока­зывать действие на один и тот же при­знак, усиливая его проявление. Та­кие гены получили название однознач­ных, или полимерных, а признаки, ими определяемые,— полигенных. В этом случае два или больше доминант­ных аллелей в одинаковой степени оказывают влияние на развитие одного и того же признака.

Важная особенность полимерии — суммирование (аддитивность) действия неаллельных генов на развитие коли­чественных признаков. Если при моно-генном наследовании признака воз­можно три варианта «дозл гена в гено­типе: АА, Аа, аа. то при полигенном количество их возрастает до четырех и более. Суммирование «доз» полимер­ных генов обеспечивает cуществование непрерывных рядов количественных изменений.

Биологическое значение полимерии заключается еще и в том, что оп­ределяемые этими генами признаки более стабильны, чем кодируемые одним геном. Организм без полимер­ных генов был бы крайне неустой­чив: любая мутация или рекомбинация приводила бы к резкой изменчиво­сти, а это в большинстве случаев не­выгодно.