Тема: ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ И СИМВОЛИКА. МЕТОДЫ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ЗАКОНЫ Г.МЕНДЕЛЯ, ИХ СТАТИСТИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР И ЦИТОЛОГИЧЕСКИЙ ОСНОВЫ

Способность организма сохранять наследственные признаки и передавать их потомкам, а также приобретать новые признаки и их состояния в процессе индивидуального исторического развития вида – общебиологическое явление. Закономерности наследственности и изменчивости организмов изучает наука генетика. ●Генетика – (от греч. γενητως — происходящий от кого-то) — наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости. В зависимости от объекта исследования классифицируют генетику растений, животных, микроорганизмов, человека и другие; в зависимости от используемых методов других дисциплин — молекулярную генетику, экологическую генетику и другие.

Генетика – относительно молодая биологическая наука. Датой рождения генетики считается 1900 год, когда три ботаника, проводившие опыты - голландец Г. де Фриз, немец К. Корренс и австриец Э. Чермак независимо друг от друга открыли те же закономерности наследования, которые были установлены в 1865 году чешским исследователем Г. Менделем и описаны в его работе «Опыты над растительными гибридами». Сам термин «генетика» предложил в 1906 году английский ученый У. Бэтсон.

Элементарная частица наследственности – ген – это участок молекулы нуклеиновой кислоты, определяющий наследственные признаки организмов. Ген кодирует первичную структуру молекулы белка, РНК определенного типа или же взаимодействует с регуляторным белком. Примерами наследственных признаков являются цвет глаз и волос, рост, форма плодов. Однако у разных людей цвет глаз и волос может быть разным, также как форма плодов. Это свидетельствует о том, что определенные гены могут находиться в разных состояниях. Такие различные состояния одного и того же гена называются аллелями, или аллельными генами. Аллельные гены занимают одинаковое положение в хромосомах одной пары (гомологичных хромосомах) и определяют различные состояния признаков (например, рост, цвет волос, цвет глаз).

Аллель, всегда проявляющаяся в виде закодированного ею состояния признаков в присутствии другой аллели, называется доминантной, а та, которая не проявляется – рецессивной. Явление подавления одной аллели другой называется доминированием. Например, у томатов аллель, определяющая красную окраску плодов, доминирует над аллелью, определяющей желтую окраску; у человека аллель, определяющая карий цвет глаз, доминирует над аллелью, определяющей голубой цвет. Доминантные аллели принято обозначать прописными латинскими буквами:, а соответствующие им рецессивные – строчными.

Определенный ген может быть представлен не только двумя, а значительно большим количеством аллелей (десятками и даже сотнями). Но при этом следует помнить, что в диплоидных клетках присутствуют только два аллельных гена, а в гаплоидных - один. У особей определенного вида аллельные гены могут быть в различных сочетаниях. Если организм диплоидный, то он может иметь или две одинаковых аллели определенного вида, или разные. Но когда аллели разные, проявляется состояние признака, которое определяется только одной из двух разных аллелей, а другое будто исчезает.

Совокупность генетической информации, закодированной в генах клетки или организма, называется генотипом. В результате взаимодействия генотипа с факторами окружающей среды формируется фенотип – совокупность всех признаков и свойств организма.

Следовательно, предмет генетических исследований – это явление наследственности и изменчивости организмов. Наследственность – это свойство организмов передавать свои признаки и особенности индивидуального развития потомкам, обеспечивая преемственность поколений. Благодаря этому свойству живых существ обеспечивается связь между различными поколениями организмов. Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и их состояния процессе индивидуального развития. Наследственность и изменчивость – это два противоположных свойства живых организмов. Благодаря наследственности потомки сходны с родителями, то есть сохранятся стабильность биологических видов. Изменчивость обеспечивает появление новых признаков и их состояний, благодаря чему происходит видообразование и историческое развитие биосферы в целом.

В зависимости от уровня организации живой материи, в генетике применяют соответствующие методы исследования.

●Гибридологический метод основан на скрещивании (гибридизации) организмов, отличающихся определенным состоянием одного или нескольких наследственных признаков. Потомков, полученных путем такого скрещивания, называют гибридами, а сам процесс, в основе которого лежит объединение различного генетического материла – гибридизацией. С помощью системы скрещиваний можно установить характер наследования определенных состояний признаков в ряду поколений.

●Генеалогический метод заключается в изучении родословной организмов. Он позволяет проследить характер наследования в ряду поколений разных состояний определенных признаков. Этот метод широко применяется в медицинской генетике, селекции, и других науках. С его помощью можно определить генотип особей, вычислить вероятность проявления того или иного состояния признака у будущих потомков.

Родословные в генетике составляются по определенным правилам в виде схем. Организмы женского пола обозначаются кружком, а мужского – квадратом. Обозначения особей одного поколения располагают в ряд и соединяют между собой горизонтальными линиями, а предков и потомков =- вертикальной.

●Популяционно-статистический метод позволяет изучать частоты встречаемости аллелей в популяциях организмов, а также генетическую структуру популяции. Этот метод также применяют в медицинской генетике для изучения распространения некоторых аллелей (в основном тех, которые определяют наследственные заболевания) среди отдельных групп населения. Для этого выборочно изучают часть населения определенной территории и статистически обрабатывают полученные данные.

Цитогенетический метод основывается на изучении особенностей хромосомного набора (кариотипа) организмов. Изучение кариотипа позволяет выявлять мутации, связанные с изменениями как строения хромосом, так и их количества. Кариотип изучается в клетках на стадиях метафазы, поскольку в этот период клеточного цикла структура хромосом выражена наиболее четко.

Близнецовый метод заключается в изучении однояйцовых близнецов (то есть организмов, развивающихся из одной зиготы). Однояйцовые близнецы всегда одного пола и имеют одинаковый генотип. Исследуя такие организмы, можно изучать роль факторов окружающей среды в формировании фенотипа особей: различный характер их влияния определяет различия в проявлении тех или иных состояний определенных признаков.

Отдельную группу составляют методы генной инженерии, с помощью которых ученые изменяют генотипы организмов: удаляют или перестраивают определенные гены, вводят гены в геном другой клетки или организма и т.д. Геном – это совокупность генов гаплоидного набора хромосом организмов определенного вида. Кроме того, ученые могут соединять в генотипе одной особи гены различных видов.

Основные закономерности наследственности были установлены выдающимся чешским ученым Г. Менделем. Свои опыты Мендель проводил на растении семейства Бобовых – горохе посевном. Он оказался удачным объектом для генетических исследований. Во-первых, известно много сортов этого растения, отличающихся разными состояниями определенных наследственных признаков (окраской семени, цветков, длиной стебля, структурой поверхности семени и т.д.). Во-вторых, жизненный цикл этого растения очень короткий, что позволяет проследить передачу наследственной информации потомкам на протяжении многих поколений. В-третьих, горох посевной – самоопыляющееся растение, поэтому потомки каждой отдельной особи являются чистыми линиями. Чистые линии – это генотипно однородные потомки одной особи, гомозиготные по большинству генов и полученные в результате самоопыления или самооплодотворения. Гомозиготной называют диплоидную или полиплоидную клетку, гомологичные хромосомы которой несут одинаковые аллели определенных генов.

Горох посевной можно искусственно опылят перекрестно, что позволяет проводить гибридизацию чистых линий. Скрещивая разные чистые линии гороха между собой, Мендель получил гетерозиготные гибридные формы. Гетерозиготной называют диплоидную или полиплоидную клетку (особь), гомологичные хромосомы которой несут разные аллели определенных генов.

Таким образом, Г. Мендель применил гибридологический метод исследований. В отличие от своих предшественников, он четко определял условия экспериментов: среди разнообразных наследственных признаков выделял разные состояния одного (моногибридное скрещивание), двух (дигибридное скрещивание) или большего количества (полигибридное) признаков и прослеживал их проявление в ряду последующих поколений. Результаты исследований обрабатывали статистически, что позволило установить закономерности передачи различных состояний наследственных признаков в ряду поколений гибридов. Предшественники Менделя пытались проследить наследование различных состояний всех признаков исследуемых организмов одновременно, поэтому им не удалось выявить какие-либо закономерности.

Свои исследования Мендель начал с моногибридного скрещивания: он скрестил две чистые линии гороха посевного, которые давали соответственно семена желтого и зеленого цвета. Родительские формы условно обозначают буквой Р – от латинского слова парентес – родители. Семена растений, полученных путем такого скрещивания – гибриды первого поколения – F₁ - от латинского слова филии – сыновья – оказались единообразными и имели только желтую окраску. Так был установлен закон единообразия гибридов первого поколения: в фенотипе гибридов первого поколения проявилось только одно из двух состояний признаков – доминантное.

В дальнейшем Мендель скрестил между собой гибриды первого поколения. Их потомки (гибриды второго поколения - F₂) - образовали 8023 семени, из которых 6022 имели желтый цвет, а 2001 – зеленый. Таким образом, среди гибридов второго поколения снова появились семена зеленого цвета – проявилось рецессивное состояние признака, составлявшие приблизительно ¼ от общего их количества, тогда как семена желтого цвета - доминантное состояние признака – составили около ¾. Эти закономерности получили название закона расщепления: при скрещивании гибридов первого поколения между собой среди их потомков наблюдается явление расщепления признаков: в фенотипе ¼ гибридов второго поколения проявляет рецессивное, а ¾ - доминантное состояние признака. Расщепление – проявление обоих состояний признака (доминантного и рецессивного) во втором поколении гибридов, обусловленное расхождением определяющих их аллельных генов.

Мендель проследил наследование доминантного и рецессивного состояний признаков и в последующих поколениях гибридов. Он обратил внимание на тот факт, что из зеленых семян вырастали растения, которые при самоопылении давали семена только зеленого цвета, тогда как растения, выросшие из семян желтого цвета, вели себя по-разному. Одни из этих растений при самоопылении образовывали семена только желтого цвета (1/3 от количества растений, выросших из желтых семян), тогда как другие (2/3 этих растений) образовывали семена как желтого, так и зеленого цвета, то есть в соотношении 3:1. Отсюда Мендель сделал вывод, что семена с доминантным состоянием признака (желтого цвета) сходны по фенотипу, но могут отличаться по генотипу. Таким образом, все семена с рецессивным состоянием признака были гомозиготными по этому признаку (имели две одинаковых аллели гена окраски семени), а среди семян с доминантным состоянием признака были как гомозиготные, так и гетерозиготные (имели две разные аллели гена окраски семян).

В дальнейших исследованиях Мендель усложнил условия проведения экспериментов: выбирал растения, отличающиеся разными состояниями двух (дигибридное) или большего количества (полигибридное скрещивание) наследственных признаков. Он скрестил между собой чистые линии гороха посевного, представители которых образовывали желтые гладкие и зеленые морщинистые семена. Гибриды первого поколения образовывали только семена с доминантными состояниями обоих признаков: желтого цвета с гладкой поверхностью. Мендель наблюдал проявление закона единообразия гибридов первого поколения.

Скрестив гибриды первого поколения между собой, Мендель получил следующие результаты. Среди гибридов второго поколения оказались 4 фенотипные группы в таких соотношениях: приблизительно 9 частей растений образовывали семена желтого цвета с гладкой поверхностью (315 семян), три части – желтого цвета с морщинистой поверхностью (101 семя), еще 3 части – зеленого цвета с гладкой поверхностью (108 семян), а 1 часть – зеленого цвета с морщинистой поверхностью (32 семени). Таким образом, количество групп семян гибридов второго поколения в фенотипе вдвое превышало их количество у исходных родительских форм. Кроме семян, имевших комбинации состояния признаков, присущих родительским формам (желтый цвет гладкая поверхность и зеленый цвет морщинистая поверхность)появились еще две новые комбинации (желтый цвет морщинистая поверхность, зеленый цвет гладкая поверхность).

Мендель проследил наследование различных состояний каждого признака отдельно и получил результаты: 12 частей семян имело желтый цвет, а 4 – зеленый, то есть расщепление по признаку цвета, как и при моногибридном скрещивании, составляло 3:1. Подобную картину наблюдали и по признаку структуры поверхности семян: 12 частей семян имели гладкую поверхность, а 4 – морщинистую.

На основе полученных результатов Мендель сформулировал закон независимого комбинирования состояния признаков: при ди- или полигибридном скрещивании расщепление состояний каждого признака происходит независимо от других. То есть диггибридное скрещивание при условии, что один из аллельных генов полностью доминирует над другим, это по сути два моногибридных, которые как бы накладываются одно на другое, тригибридное – три и т.д.

Когда Мендель проводил свои опыты, еще ничего не было известно о генах, строении хромосом, процессе мейоза, но он предложил закон чистоты гамет, который был подтвержден экспериментально дальнейшим исследованием: у гибридного гетерозиготного организма гаметы «чисты». ТО есть каждая из гамет диплоидного организма содержит только Одина аллельный ген и не может одновременно нести два аллельных гена.

Соматические клетки, как правило, имеют диплоидный набор хромосом, то есть аллельные гены в таких клетках парные. Это могут быть две доминантные аллели (гомозигота по доминантной аллели), две рецессивные (гомозигота по рецессивной аллели), или доминантная и рецессивная (гетерозигота). Когда в результате мейоза образуются половые клетки, в каждую из них попадает только один аллельный ген из каждой пары. Гомозиготная особь формирует только один тип половых клеток – или с доминантными, или с рецессивными аллелями, тогда как гетерозиготная – два в равных количествах (50% с доминантной и 50% с рецессивной аллелями).

Проследим за гомологичными хромосомами при моногибридном скрещивании. Для упрощения допустим, что такие особи имеют только одну пару гомологичных хромосом, то есть количество хромосом в диплоидном наборе равняется двум: 2n=2., а каждая из них содержит только один ген. Хромосома с доминантной аллелью обозначена буквой А, с рецессивной – а. Известно, что потомки, полученные от скрещивания гомозиготных по доминантной и рецессивной аллелям особей (гибриды первого поколения) будут гетерозиготными. Их генотип Аа. Это объясняется тем, что одну хромосому с доминантной аллелью они получают от одного из родителей, а другую, с рецессивной – от другого. Следовательно, такие растения будут единообразны как по генотипу, так и по фенотипу. У гибридов первого поколения в отличие от родительских форм половые клетки будут двух видов: половина из них будет нести хромосому с доминантной аллелью, а половина – с рецессивной. В результате скрещивания гибридов превого поколения возможны три варианта генотипов их потомков – гибридов второго поколения: четверть особей будут иметь хромосомы только с доминантными (гомозиготы по доминантной аллели – АА), половина – одну хромосому с доминантной аллелью, другую – с рецессивной (Аа) и четверть – хромосомы только с рецессивными аллелями (гомозиготы по рецессивной аллели - аа). По фенотипу три четверти семян гибридов второго поколения будут иметь желтую (гомозиготы по доминантной аллели и гетерозиготы) и одна четверть – зеленую окраску (гомозиготы по рецессивной аллели).

 

Таким образом, при условии значительного количества и равной жизнеспособности гамет различных видов становится понятным статистический характер закона расщепления. Он определяется большим количеством равновероятных встреч этих гамет. Результаты проведенного Менделем моногибридного скрещивания записывают схематично:

Р А А Х а а

/ \ / \

гаметыА А а а

 

F₁ А а ХА а

/ \ / \

гаметы А а А а

 

F₂ АА Аа Аа аа

Однако проще записать ход скрещивания с помощью решетки Пеннета. Эту решетку изображают так: по горизонтали записывают гаметы одной (у раздельнополых организмов – отцовской особи), а по вертикали - другой (материнской). В местах пересечения горизонтальной и вертикальной линий указывают генотипы потомков:

\	а а
А	Аа Аа
А	Аа Аа

Запись скрещивания гомозиготных родительских форм в виде решетки Пиннета наглядно демонстрирует закономерный характер единообразия гибридов первого поколения. Результаты скрещивания между собой гибридов первого поколения имеют вид:

 

\	А а
А	АА Аа
а	Аа аа

Таким образом, мы видим, что среди гибридов второго поколения возможно образование трех вариантов генотипа

При условии полного доминирования доминантной аллели над рецессивной они определяют два варианта фенотипа. Из данной схемы становится понятным и дальнейшее расщепление признаков при самоопылении гибридов второго поколения. Гомозиготные особи будут формировать гаметы только одного вида, среди их потомков расщепления не наблюдается. Гетерозиготные особи будут формировать два сорта гамет – с доминантной и рецессивной аллелью, поэтому среди их потомков произойдет расщепление по фенотипу в соотношении 3:1.

Аналогично можно продемонстрировать цитологические основы и статистический характер закона независимого комбинирования состояний признаков.

Представим, что в диплоидном наборе растения имеется две пары гомологичных хромосом (2n =4), каждая из которых несет только один ген. Предположим, что материнский организм содержит хромосомы только с доминантными аллелями генов окраски и структуры поверхности семени, а отцовский – только с соответствующими рецессивными. Такие гомозиготные организмы в процессе формирования гамет будут формировать только один их вид – или с доминантными, или с рецессивными аллелями. При скрещивании родительских форм все особи гибридов первого поколения получают по две хромосомы с соответствующими доминантными аллелями от материнского организма и по две с рецессивными – от отцовского. Таким образом, все они будут гетерозиготными по генам окраски и структуры поверхности семени и будут формировать четыре вида гамет в равных количествах. При этом в двух из них аллельные гены будут находиться в тех же комбинациях, что и в гаметах исходных родительских форм, а в двух других – в новых сочетаниях (рекомбинациях). Рекомбинация – перераспределение наследственного материала родителей в генотипе потомков. Другими словами, рекомбинация – это новые сочетания аллелей разных генов в гаметах гибридных особей, отличающиеся от их комбинаций в гаметах родителей. Вследствие равной вероятности соединения во время скрещивания разных видов гамет гибридов первого поколения, у их потомков возможно образование 9 вариантов генотипов. Эти варианты будут определять 4 различных фенотипа гибридов второго поколения. В двух из них состояние признаков цвета семени и структуры его поверхности сочетаются также, как и в фенотипе исходных родительских форм (желтый цвет гладкая поверхность и зеленый цвет морщинистая поверхность). Таким образом, рекомбинация – это один из источников изменчивости организмов.

Статистический характер закона независимого комбинирования состояний признаков можно доказать, записав ход дигибридного скрещивания с помощью решетки Пиннета. При скрещивании гомозиготных родительских форм его результат будет таким:

\	ab	ab	ab	ab
АВ	AaBb	AaBb	AaBb	AaBb
АВ	AaBb	AaBb	AaBb	AaBb
АВ	AaBb	AaBb	AaBb	AaBb
АВ	AaBb	AaBb	AaBb	AaBb

 

Таким образом, результаты скрещивания родительских форм, гомозиготных по двум доминантным и двум рецессивным аллелям генов окраски и структуры поверхности семян, расположенным в негомологичных хромосомах, подтверждают закон единообразия гибридов первого поколения: все они гетерозиготны по этим генам и будут образовывать семена желтого цвета с гладкой поверхностью.

Ход скрещивания гибридов первого поколения между собой свидетельствует о том, что среди гибридов второго поколения происходит расщепление по фенотипу 9:3:3:1, а именно: 9 частей семян желтых гладких, по 3 части зеленых гладких и желтых морщинистых, 1 часть зеленая морщинистая. Таким образом, среди гибридов второго поколения как по признаку окраски, так и по признаку структуры поверхности, будет составлять 12:4, или 3:1. При условии полного доминирования доминантных аллелей над соответствующими рецессивными, фенотип желтого гладкого семени будут определять 4 варината генотипа: ААВВ, ААBb, AaBВ, AaB, желтого морщинистого 2: AАbb, Aabb, зеленого морщинистого – 1: aabb.