Введение в генетический анализ
Сборник задач по генетике
Учебно-методическое пособие.
Гришанин А.К.
Международный университет природы, общества и человека «Дубна».
Пособие содержит краткий курс генетического анализа и задачи по комбинационной изменчивости с ответами, а также решения типовых задач. Предназначено для студентов, изучающих курс общей биологии.
Введение в генетический анализ
Один из основоположников российской школы генетики А.С. Серебровский (1892–1948) под генетическим анализом понимал систему опытов, наблюдений и вычислений, имеющих целью разложение свойств (признаков) организма на отдельные наследственные элементы и изучение свойств соответствующих им генов. Признаки организма отражают различные его особенности: цвет, вес, длину, высоту, форму, параметры белковых молекул и т.д. Особенности передачи признаков от родителей потомкам были известны на протяжении многих веков селекционерам, но первым, кто открыл четкие закономерности наследования признаков и разработал методы анализа наследуемых признаков, был чешский монах Грегор Мендель. Результаты своих исследований он изложил в фундаментальной работе "Опыты над растительными гибридами" в 1865 г.
На протяжении восьми лет Г. Мендель проводил опыты по скрещиванию различных сортов садового гороха (Pisum sativum) на небольшом садовом участке (35 Х 7 м) Августинского монастыря в г. Брно. Менделя заинтересовали закономерности наследования признаков в ряду поколений этого вида растений при скрещивании сортов с различными признаками. Исходными для скрещивания всегда были чистые линии, т.е. сорта гороха, которые на протяжении многих лет при самоопылении давали лишь однородные признаки. Так как садовый горох обычно строгий самоопылитель, то для перекрестного опыления Мендель удалял пыльники материнского растения до того, как они созрели. Для анализа наследования признаков Мендель выбирал всегда только контрастирующие признаки: цветы с пурпурной и белой окраской, семена гладкие и морщинистые, и т.д. Полученные результаты опытов он обсчитывал, ведя строгий учет проявляющимся признакам у гибридного потомства. (Потомство, полученное от скрещивания двух особей с различными наследственными признаками, называют гибридным, а отдельную особь – гибридом.)
Гибридное потомство первого поколения (F1) в опытах Менделя по всем признакам всегда было однородным. Проявлялся только один из двух альтернативных родительских признаков. Признак второго родителя никогда не проявлялся. Эффект проявления только одного контрастирующего признака у гибридов первого поколения Мендель назвал доминированием, а признак доминантным. Признак, который не обнаруживался в гибридах первого поколения, Мендель назвал рецессивным.
Позднее эту закономерность – явление доминирования только одного признака–назвали законом единообразия гибридов первого поколения или первым законом Менделя.
Второе поколение Мендель получал путем самоопыления, т.е. гибридные особи первого поколения размножались как исходные родительские «чистые» линии. У второго поколения в потомстве появлялись особи носители рецессивного признака, который был у одного из родителей. Если при скрещивании сортов гороха с зелеными и желтыми семядолями в первом поколении гибридные растения (F1) имели только желтые семядоли, то подсчет большого числа растений, появившихся после самоопыления гибридов во втором поколении (F2), показал расщепление признаков: из 8023 растений у 6022 семядоли были желтыми, а у 2001 растения – зелеными.
Таким образом, в результате самоопыления потомков 1-го поколения в F2 отношение доминантного и рецессивного признака равно 3:1.
Закономерное появление во втором поколении гибридов особей с доминантным и с рецессивным признаком в соотношении 3:1 Гуго де Фриз предложил в 1900 г. назвать законом расщепления, а позднее его назвали вторым законом Менделя. Так как во втором поколении доминантные и рецессивные факторы расходятся по разным гаметам, поэтому второй закон Менделя называют законом чистоты гамет. В F2 можно выделить два типа расщепления по фенотипу (3:1) и по генотипу 1:2:1. Для обозначения альтернативных признаков В. Бэтсон в 1902 году ввел термин аллеломорфы, а в 1926 В. Иогансен трансформировал его в аллель.
Пары аллелей, не дающие расщепления, называются гомозиготными, те, которые дают расщепление, называются гетерозиготными. Эти термины также ввел В. Бэтсон в 1902 г.
Скрещивая растения, имеющие две пары альтернативных признаков (круглые и морщинистые семена, желтая и зеленая окраска семядолей) Мендель отметил, что характер проявления одного признака может не оказывать никакого влияния на другой признак. По каждой паре альтернативных признаков соотношение признаков проявляющихся во втором поколении было равно 3:1. Мендель пришел к выводу, что две или более пары альтернативных признаков распределяются в гаметах независимо. Число комбинаций признаков в F2 происходит случайным образом и обычно не соответствует ожидаемым результатам, хотя и близко к ним, так как подчиняется законам статистики. Эту закономерность наследования признаков назвали "Третьим законом Менделя."
Третий закон Менделя утверждает, что при скрещивании дигибридов и полигибридов каждая пара альтернативных признаков ведет себя в ряду поколений независимо друг от друга, давая среди потомков первого поколения (т.е. в поколении F2) расщепление 3:1, при этом появляются особи с новыми (по сравнению с родительскими) комбинациями признаков. Например, в случае полного доминирования при скрещивании исходных форм, различающихся по двум признакам, во втором поколении (F2) выявляются особи с четырьмя фенотипами в соотношении 9:3:3:1. При этом два фенотипа имеют «родительские» сочетания признаков, а оставшиеся два — новые. Данный закон основан на независимом распределении гомологичных хромосом во время 1-го мейотического деления. Число возможных комбинаций отцовских и материнских хромосом будет 2 в степени n, где n – гаплоидное число хромосом. Так, например, если у морского ежа диплоидное число хромосом 2n=36, то за счет комбинации хромосом в метафазе 1-го мейотического деления может образоваться 2ⁿ, где n=18, комбинаций признаков, определяемых генами, лежащими в разных парах гомологичных хромосом. Иными словами 262144 гаметы с разными комбинациями отцовских и материнских хромосом.
В 1900 году независимо друг от друга К. Корренс (Германия), Г. де Фриз (Голландия) и Э. Чермак (Австрия) обнаружили в своих опытах открытые ранее Менделем закономерности. Затем, натолкнувшись на его работу, они вновь опубликовали ее в 1901 году.
Всеобщность закона доминирования (1-го закона Менделя) даже после его переоткрытия была подвергнута сомнению. Дело в том, что в большом числе случаев полное доминирование у гибридов 1-го поколения не наблюдается. Такой тип неполного доминирования называли Zea-тип, в то время как полное доминирование называли Pisum-тип. При неполном доминировании у гибридов 1-го поколения вместо доминантного признака проявляется признак, промежуточный между двумя альтернативными.
Кодоминирование– проявление у гетерозиготы признаков, характерных для обеих форм аллелей гена. У особей, гетерозиготных по трансферринам (белкам сыворотки крови), в крови присутствуют одновременно обе формы этого белка, каждая из которых имеется у гомозиготы.
Множественные аллели – аллели с убывающей степенью доминирования.Некоторые гены могут быть представлены в популяции не одной парой аллелей, а тремя, четырьмя и более (а1, а2, а3, а4 ) аллелями вследствие различных мутаций одного локуса. Хотя у каждой особи из подобной популяции может быть только два аллеля (по одному в каждой гомологичной хромосоме), но число попарных комбинаций множественных аллелей увеличивается с ростом их числа в популяции. Например, ген красноглазости у дрозофил тип W+ доминирует над всеми остальными аллелями >W2 >W3>W4>W5 >W6>W7.К числу множественных аллелей относятся аллели, определяющие группу крови у человека. Группы крови у человека детерминированы тремя аллелями одного гена. Их обычно обозначают IА, IВ и I0. Так как каждый человек обладает только одной парой аллелей данного гена, то данные аллели могут дать 6 различных их сочетаний, определяющих четыре основные группы крови: 1-я группа I0I0, 2-я группа IАIА , IАI0, 3-я группа IВIВ, IВ I0 и 4-я группа IА IВ. Множественные аллели указывают на относительность доминирования.
Взаимодействие неаллельных генов. Генотип любого организма представляет собой систему взаимодействующих генов, в результате чего формируется сложное и не всегда однозначное соответствие ген – признак. Законы Менделя были открыты при анализе признаков, определяемых одним геном (моногенное наследование). Однако в некоторых случаях один ген влияет на проявление нескольких различных признаков. Еще Мендель отмечал, что ген, определяющий окраску цветков, изменял окраску семян и цвет листьев. Тип наследования признаков, при котором один ген определяет проявление нескольких различных признаков, называют плейотропией. Так как в основе действия генов лежит функция одного белка, то плейотропия есть следствие нарушения интегрированности процессов в организме. Если же два или более генов определяют один признак, то такое наследование называют полигенным. К основным типам полигенного наследования относят комплементарность и эпистаз. В обоих случаях наблюдается взаимодействие генов, но с противоположной направленностью. Если в случае комплементарности действие генов является взаимно дополняющим, и в результате продукт одного гена взаимодействует с продуктом другого гена, образуя новый продукт с новыми свойствами, то в случае эпистаза действие одного гена исключает действие другого гена. Эпистаз – это подавление действия одного гена другим, неаллельным геном. Ген подавитель или супрессор или эпистатический ген действует на подавляемый, гипостатический ген, по принципу сходному с явлением доминантности, тем не менее, это не аллельные гены, так как занимают различные локусы в гомологичных или негомологичных хромосомах. Примером комплементарного действия генов может служить наследование окраски цветков душистого горошка, определяемой двумя неаллельными генами. При скрещивании двух рас душистого горошка с белыми цветами образуются растения с пурпурной окраской. К числу полигенных относят также количественные признаки, определяемые аддитивными полимерными генами (полимерия). Это рост, масса животного, количество волос.
Пенетрантность. В процессе онтогенеза не все гены реализуются в признак. На проявление активности генов могут влиять в большей или меньшей степени другие неаллельные гены или условия внешней среды. Степень выраженности гена определяют как пенетрантность, которая характеризуется долей особей, фенотип которых соответствует генотипу. Например, одна из мутаций вызывает у дрозофилы уменьшение размера глаз, но проявляется этот эффект только у 75% особей. Уменьшение размера глаз у дрозофилы выражено обычно в разной степени. Степень выраженности признака у пенетрантных особей называют экспрессивностью. Пенетрантность и экспрессивность зависят от природы самих генов, присутствия генов-модификаторов, а также от внешних условий.
Для генетического анализа наследования тех или иных признаков организма при половом размножении необходимо производить скрещивание двух особей разных полов. Скрещивание в генетике обозначают знаком умножения – ×. При написании схемы скрещивания на первое место ставят знак зеркало Венеры ♀, обозначающий женский пол, а на второе место знак щит и копье Марса ♂, обозначающий мужской пол. Родительские организмы обозначают буквой P (Parenta, лат. – родители). Гибридное поколение обозначают буквой F (Filii, лат.– дети), номер поколения индексом 1, 2, 3 и т.д.
Чтобы проверить является ли данный организм гомо- или гетерозиготным, можно провести анализирующее скрещивание. Для этого обычно скрещивают данный организм с одной из родительских форм: исходной доминантной или рецессивной гомозиготой. Такое скрещивание называют возвратным скрещиванием или бэк-кроссом. ( Аа× АА, или Аа×аа). При скрещивании доминантной гомозиготы АА с рецессивной гомозиготой мы будем получать гетерозиготное потомство с доминирующим признаком. В случае скрещивания гетерозиготы Аа с гомозиготой аа всегда будет наблюдаться равновероятное появление особей с доминантным и рецессивным признаками.
Задачи