1. 1 Природа генів
| Вид материала | Закон |
- Уроки з курсу “Я І Україна”, 590.67kb.
- Урок 21. Мир природы в поэзии А. А. Фета и Ф. И. Тютчева, 763.29kb.
- План: I введення Людина у природі II основна частина, 127.54kb.
- Лекція 1 Моногібридне схрещування, 302.17kb.
- Тема урока : Окружающий мир, 452.39kb.
- Презентация книги «Природа Вологодской области», 131.93kb.
- Подольская александра сергеевна, 291.11kb.
- Урок Біології Ми вже звикли, що кожна тема, кожен розділ навчальної програми дає школярам, 51.65kb.
- План Загальні відомості про людиноподібних мавп. Інтелект, 53.19kb.
- План техническое знание в Новое время Формирование технических наук, 174.8kb.
- Закони Менделя
1.1
Природа генів
Вивчення спадковості вже давно було пов'язане з кончиною про її корпускулярну природу. У 1866 р. Мендель висловив припущення, що ознаки організмів визначаються успадкованими одиницями, які він назвав “елементами”. Пізніше за їх сталь називати “чинниками” і, нарешті, генами; було показано, що гени знаходяться в хромосомах, з якими вони і передаються від одного покоління до іншого. Не дивлячись на те, що вже багато що відоме про хромосоми і структуру ДНК, дати визначення гена дуже важко, вдалося сформулювати тільки три можливі визначення гена:
а) ген як одиниця рекомбінації.
На підставі своїх робіт по побудові хромосомних карт дрозофіли Морган постулював, що ген - це найменша ділянка хромосоми, яка може бути відокремлений від ділянок, що примикають до нього, в результаті кросинговеру. Згідно цьому визначенню, ген є крупною одиницею, специфічною областю хромосоми, що визначає ту або іншу ознаку організму;
б) ген як одиниця мутації.
В результаті вивчення природи мутацій було встановлено, що зміни ознак виникають унаслідок випадкових спонтанних змін в структурі хромосоми, в послідовності підстав або навіть в одній підставі. У цьому сенсі можна було сказати, що ген - це одна пара компліментарних підстав в нуклеотидній послідовності ДНК, тобто найменша ділянка хромосоми, здатна зазнати мутацію.
в) ген як одиниця функції.
Оскільки було відомо, що від генів залежать структурні, фізіологічні і біохімічні ознаки організмів, було запропоновано визначати ген як найменшу ділянку хромосоми, що обумовлює синтез певного продукту.
1.2
Дослідження Менделя
ген мендель примат мутація
Перебуваючи у Відні, Мендель зацікавився процесом гібридизації рослин і, зокрема, різними типами гібридних нащадків і їхніх статистичних співвідношень. Ці проблеми і стали предметом наукових досліджень Менделя, що він розпочав улітку 1856 р.
Успіхи, досягнуті Менделем, частково обумовлені вдалим вибором об'єкта для експерименту-гороху городнього (Рisum sativum). Мендель упевнився, що в порівнянні з іншими цей вид має наступні переваги:
1) є багато сортів, ознак, що чітко розрізняються по ряду;
2) рослини легко вирощувати;
3) репродуктивні органи повністю прикриті пелюстками, так що рослина зазвичай самозапилюється; тому його сорти розмножуються в чистоті, тобто їх ознаки з покоління в покоління залишаються незмінними;
4) можливе штучне схрещування сортів, і воно дає цілком плодовитих гібридів. З 34 сортів гороху Мендель відібрав 22 сорти, що володіють чітко вираженими відмінностями по ряду ознак, і використовував їх в своїх дослідах з схрещуванням. Менделя цікавили сім головних ознак: висота стебла, форма насіння, забарвлення насіння, форма і забарвлення плодів, розташування і забарвлення квіток.
І до Менделя багато учених проводили подібні експерименти на рослинах, але жоден з них не отримав таких точних і докладних даних; крім того, вони не змогли пояснити свої результати з погляду механізму спадковості. Моменти, що забезпечили Менделеві успіх, слід визнати необхідними умовами проведення всякого наукового дослідження і прийняти їх як зразок. Умови ці можна сформулювати таким чином:
1) проведення попередніх досліджень для ознайомлення з експериментальним об'єктом;
2) ретельне планування всіх експериментів, з тим щоб всякий раз увага була зосереджена на одній змінній, що спрощує спостереження;
3) строге дотримання всіх методик, з тим щоб виключити можливість введення змінних, що спотворюють результати (подробиці див. нижчі);
4) точна реєстрація всіх експериментів і запис всіх отриманих результатів;
5) отримання достатньої кількості даних, щоб їх можна було рахувати статистично достовірними.
Як писав Мендель, «достовірність і корисність всякого експерименту визначаються придатністю даного матеріалу для тих цілей, в яких він використовується».
Слідує, проте, відзначити, що у виборі експериментального об'єкту Менделеві де в чому і просто повезло: у спадкоємстві відібраних ним ознак не було ряду складніших особливостей, відкритих пізніше, таких як неповне домінування, залежність більш ніж від однієї пари генів, зчеплення генів.
1.3 Спадкоємство при моногібридному схрещуванні і закон розщеплювання
Для своїх перших експериментів Мендель вибирав рослини двох сортів, що чітко розрізнялися за якою-небудь ознакою, наприклад по розташуванню квіток: квітки можуть бути розподілені по всьому стеблу (пазухи) або знаходитися на кінці стебла (верхівкові). Рослини, що розрізняються по одній парі альтернативних ознак, Мендель вирощував впродовж ряду поколінь. Насіння від квіток пазух завжди давало рослини з квітками пазух, а насіння від верхівкових квітів - рослини з верхівковими квітками. Таким чином, Мендель переконався, що вибрані ним рослини розмножуються в чистоті (тобто без розщеплювання потомства) і придатні для проведення дослідів по гібридизації (експериментальних схрещувань).
Його метод полягав в наступному: він видаляв у ряду рослин одного сорту пильовики до того, як могло відбутися самозапилення (ці рослини Мендель називав «жіночими»); користуючись пензликом, він наносив на рильця цих «жіночих» квіток пилок з пильовиків рослини іншого сорту; потім він надягав на штучно обпилені квітки маленькі ковпачки, щоб на їх рильця не міг потрапити пилок з інших рослин. Мендель проводив реципрокні схрещування - переносив пилкові зерна як з квіток пазух на верхівкові, так і з верхівкових на пазухи. У всіх випадках з насіння, зібраного від отриманих гібридів, зростали рослини з квітками пазух. Цей признак - «пазушні квітки», - простежуваний у рослин першого гібридного покоління, Мендель назвав домінантним; пізніше, в 1902 р., Бетсон і Сондерс почали позначати перше покоління гібридного потомства символом F1. Ні у однієї з рослин F1 не було верхівкових квіток.
Мендель провів ряд аналогічних досліджень, використовуючи кожного разу одну пару альтернативних ознак Результати експериментальних схрещувань по семи парам таких ознак приведені в табл. 1.
Таблиця 1. Результати експериментів Менделя по спадкоємству семи пар альтернативних ознак. (Спостережуване співвідношення домінантних і рецесивних ознак наближається до теоретично очікуваному 3:1).
| Ознака | Батьківські рослини | Покоління F2 | Відношення | ||
| | Домінантна ознака | Рецесивна ознака | Домінантні | Рецесивні | |
| Висота стебла | Високий | Низький | 787 | 277 | 2,84:1 |
| Насіння | Гладкі | Зморшкуваті | 5474 | 1850 | 2,96:1 |
| Забарвлення насіння | Жовті | Зелені | 6022 | 2001 | 3,01:1 |
| Форма плодів | Плоскі | Опуклі | 882 | 299 | 2,95:1 |
| Забарвлення плодів | Зелені | Жовті | 428 | 152 | 2,82:1 |
| Положення квіток | Пазухи | Верхівкові | 621 | 207 | 3,14:1 |
| Забарвлення квіток | Червоні | Білі | 705 | 224 | 3,15:1 |
| Разом | | | 14949 | 5010 | 2,98:1 |
У всіх випадках аналіз результатів показав, що відношення домінантних ознак до рецесивних в поколінні F2 складало приблизно 3 : 1.
Приведений вище приклад типовий для всіх експериментів Менделя, в яких вивчалося спадкоємство однієї ознаки (моногібридні схрещування).
На підставі цих і аналогічних результатів Мендель зробив наступні виводи:
1. Оскільки початкові батьківські сорти розмножувалися в чистоті (не розщеплювалися), у сорту з квітками пазух повинні бути два чинники «пазух», а у сорту з верхівковими квітками - два «верхівкові» чинники.
2. Рослини F1 містили але одному чиннику, отриманому від кожної з батьківських рослин через гамети.
3. Ці чинники в F1 не зливаються, а зберігають свою індивідуальність.
4. Чинник «пазухи» домінує над «верхівковим» чинником, який рецесивний. Розділення пари батьківських чинників при утворенні гамет (отже в кожну гамету потрапляє лише один з них) відоме під назвою першого закону Менделя, або закону розщеплювання. Згідно цьому закону, ознаки даного організму детермінуються парами внутрішніх чинників. У одній гаметі може бути представлений лише один з кожної пари таких чинників.
Тепер ми знаємо, що ці чинники, що детермінують такі ознаки, як розташування квітки, відповідають ділянкам хромосоми, званим генами.
Описані вище експерименти, що проводилися Менделем при вивченні спадкоємства однієї пари альтернативних ознак, служать прикладом моногібридного схрещування.
1.4
Поворотне, або що аналізує, схрещування
Організм з покоління F1, отриманого від схрещування між гомозиготною домінантною і гомозиготною рецесивною особинами, гетерозиготний по своєму генотипу, але володіє домінантним фенотипом. Для того, щоб виявився рецесивний фенотип, організм повинен бути гомозиготним по рецесивному алелю. У поколінні F2 особини з домінантним фенотипом можуть бути як гомозиготами, таки гетерозиготами. Якщо селекціонерові знадобилося з'ясувати генотип такої особини, то єдиним способом, що дозволяє зробити це, служить експеримент з використанням методу, званого аналізуючим (поворотним) схрещуванням. Схрещуючи організм невідомого генотипу з організмом, гомозиготним по рецесивному алелю гена, що вивчається, можна визначити цей генотип шляхом одного схрещування. Наприклад, у плодової мушки Drosophila довгі крила домінують над зачатковими. Особина з довгими крилами може бути гомозиготною (LL) або гетерозиготною (Ll). Для встановлення її генотипу треба провести аналізуюче схрещування між цією мухою і мухою, гомозиготною по рецесивному алелю (ll). Якщо у всіх нащадків від цього схрещування будуть довгі крила, то особина з невідомим генотипом - гомозигота по домінантному алелю. Чисельне співвідношення нащадків з довгими і із зачатковими крилами 1 : 1 указує на гетерозиготність особини з невідомим генотипом.
1.5
Дигібридне схрещування і закон незалежного розподілу
Встановивши можливість передбачати результати схрещувань по одній парі альтернативних ознак, Мендель перейшов до вивчення спадкоємства двох пар таких ознак. Схрещування між особинами, що розрізняються по двох ознаках, називають дигібридними.
У одному зі своїх експериментів Мендель використовував рослини гороху, що розрізняються формою і забарвленню насіння. Застосовуючи метод, описаний в розд. 2.1, він схрещував між собою чистосортні (гомозиготні) рослини з гладким жовтим насінням і чистосортні рослини із зморшкуватим зеленим насінням. У всіх рослин F1 (першого покоління гібридів) насіння було гладкі і жовті. За наслідками проведених раніше моногібридних схрещувань Мендель вже знав, що ці ознаки домінантні; тепер, проте, його цікавили характер і співвідношення насіння різних талів в поколінні F2, отриманому від рослин F1 шляхом самозапилення. Всього він зібрав від рослин F2 556 насіння, серед якого було
гладких жовтих 315
зморшкуватих жовтих 101
гладких зелених 108
зморшкуватих зелених 32
Співвідношення різних фенотипів складало приблизно 9: 3: 3: 1 (дигібридне розщеплювання). На підставі цих результатів Мендель зробив два виводи:
1. У поколінні F2 з'явилися два нові поєднання ознак: зморшкуваті і жовті; гладкі і зелені.
2. Для кожної пари алеломорфних ознак (фенотипів, визначуваних різними алелями) вийшло відношення 3 : 1, характерне для моногібридного схрещування - серед насіння було 423 гладких і 133 зморшкуватих, 416 жовтих і 140 зелених.
Ці результати дозволили Менделеві стверджувати, що дві пари ознак (форма і забарвлення насіння), спадкові завдатки яких об'єдналися в поколінні F1, в подальших поколіннях розділяються і поводяться незалежно одна від одної. На цьому заснований другий закон Менделя - принцип незалежного розподілу, згідно якому кожна ознака з однієї пари ознак може поєднуватися з будь-якою ознакою з іншої пари.
1.6
Короткий виклад суті гіпотез Менделя
1. Кожна ознака даного організму контролюється парою алелів.
2. Якщо організм містить два різних алеля для даної ознаки, то один з них (домінантний) може виявлятися, повністю пригнічуючи прояв іншого (рецесивного).
3. При мейозі кожна пара алелів розділяється (розщеплюється) і кожна гамета отримує по одному з кожної пари алелів (принцип розщеплювання).
4. При утворенні чоловічих і жіночих гамет в кожну з них може потрапити будь-який алель з однієї пари разом з будь-яким іншим з іншої пари (принцип незалежного розподілу).
5. Кожен алель передається з покоління в покоління як дискретна одиниця, що не змінюється.
6. Кожен організм успадковує по одному алелю (для кожної ознаки) від кожної з батьківських особин.
Гілка біології, що займається явищами спадковості і вивченням законів, керівників схожістю і відмінностями між родинними організмами, називається ГЕНЕТИКОЮ. Зародившись на початку 21-го століття, ця наука швидко зробила великі успіхи, а в даний час розвивається особливо інтенсивно.
Основоположником генетики є чеський вчений Грегор Мендель (1822 – 1884 рр.). Їм встановлений ряд законів і розроблений метод гибридологического аналізу, який передбачає:
Ø схрещування особин з контрастними (альтернативними) ознаками;
Ø аналіз прояву в гібридів лише досліджуваних ознак;
Ø вирощування і аналіз потомства кожної особини окремо від інших;
Ø ведення кількісного обліку гібридів, що розрізняються по досліджуваних ознаках.
Грегор Мендель досяг успіху тому, що він вивчав спадкоємство одиничних контрастуючих ознак, підраховував число екземплярів кожного типа і вів ретельні записи всіх своїх схрещувань і підрахунків. Його досліди показали, що спадкоємство відбувається за певними законами і що якщо родовід двох особин відомий, то можна досить точно передбачити, які типи нащадків вийдуть від їх схрещування.
На основі своїх дослідів Мендель прийшов до виводу, що спадковість управляється одиницями (які він називав «чинниками»), що знаходяться в клітках кожного індивідуума. Він передбачив, що в дорослих рослин є по два таких чинника, які розділяються при утворенні пилкових зерен і яйцеклітин, так що в яйцеклітину або спермій потрапляє лише по одному чиннику, кожного сорту. Це блискучий висновок був підтверджений після того, як сталі відомі деталі клітинного ділення і запліднення. Мендель опублікував свої результати в одному маловідомому австрійському журналі в 1866 р., але вони не залучали уваги протягом більш ніж 30 років.
У 1900 р., після того, як були відкриті деталі процесів митоза, мейозу і запліднення три дослідники – де Фриз в Голландії, Корренс в Германії і Чермак в Австрії – незалежно один від одного повторно відкрили закони спадковості, сформульовані Менделем. Переглядаючи літературу, вони випадково виявили його роботу, і, таким чином, через 16 років після смерті Менделя два основні закони спадковості були названі його ім'ям.
ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦІЇ
Початкуючих генетиків інколи бентежить питання: якщо гени карих очей домінують над генами блакитних, чому останні до цих пір не зникли? Перша частина відповіді на це питання полягає в тому, що рецесивний ген, на зразок гена голубоглазости, ніяк не змінюється в наслідок свого співіснування впродовж життя цілого покоління пліч-о-пліч з геном кареглазости. Другою частиною відповіді служить той чинник, що у відсутність спеціального відбору за кольором око (т. е, якщо блакитноокі люди мають стільки ж шансів одружитися і виробляти стільки ж дітей, скільки кароокі) в подальших поколіннях збережеться та ж пропорція блакитнооких і карооких, яка є в даному поколінні.
Короткий екскурс в математику покаже, чому це так. Розглянемо розподіл в популяції (людей, тварин або рослин) однієї пари генів – А і а. Кожен член популяції матиме один з наступних генотипів: АА, Аа або аа. Жодних інших можливостей не існує. Передбачимо, що в популяції ці генотипи представлені у відношенні јАА : ЅАа : јаа (доводжуване нами положення, що це співвідношення не міняється в послідовних поколіннях, залишається справедливим при будь-якому вихідному співвідношенні). Якщо всі члени популяції вибирають собі партнерів незалежно від того, чи мають вони генотип АА, Аа або аа, і якщо всі пари виробляють приблизно однакове число нащадків, то і подальших поколіннях співвідношення генотипів нащадків буде јАА : ЅАа : јаа. Це можна довести, врахувавши всіх можливих типів схрещувань, їх частоту за умови випадковості зустрічей, типів і чисельні співвідношення нащадків, що отримуються від кожного типа схрещування. Підсумувавши число нащадків всіх типів, ми виявимо, що в подальшому поколінні співвідношення генотипів також складе јАА : ЅАа : јаа.
ТАБЛИЦЯ.
ПОТОМСТВО ПОПУЛЯЦІЇ СКЛАДУ, ЩО ВІЛЬНО СХРЕЩУЄТЬСЯ ? АА ? Аа і ? аа.
| Схрещування | ЧАСТОТА | ПОТОМСТВО |
| Самець Самка | ||
| АА * АА АА * Аа АА * аа Аа * АА Аа * Аа Аа * аа аа * АА аа * Аа аа * аа | ј * ј ј * Ѕ ј * ј Ѕ * ј Ѕ * Ѕ Ѕ * ј ј * ј ј * Ѕ ј * ј | 1/16 АА 1/16 + АА 1/16 Аа 1/16 Аа 1/16 АА + 1/16 Аа 1/16 АА + 1/8 Аа + 1/16 аа 1/16 Аа + 1/16 аа 1/16 Аа 1/16 Аа + 1/16 аа 1/16 аа Всього: 4/16 АА + 8/16 Аа + 4/16 аа |
Математик Харді і лікар Вейнберг незалежно один від одного відкрили в 1908 р., що частоти членів пари алельних генів в популяції розподіляються відповідно до коефіцієнтів розкладання бінома Ньютона. У только-то розглянутому прикладі ми прийняли, що вихідна популяція мала склад
јАА + ЅАа + јаа. Ми можемо представити ці стосунки в загальній формі, позначивши частоту гена А в популяції через р і частоту гена а через q. Оскільки кожен ген має бути або А, або а, то р+q=1, і, знаючи одну з цих величин, ми можемо обчислити іншу.
Враховуючи всі схрещування, що відбуваються в даному поколінні, ми бачимо, що р яйцеклітин, що містять ген А, і q яйцеклітин, що містять ген а, запліднилися р сперматозоїдами, містять ген А, і q сперматозоїдами, що містять ген а:
(рА+qa) * (рА+qa). Співвідношення типів нащадків, що виникають в результаті всіх цих схрещувань, дається виразам алгебри: p2AA+2pqAa+q2aa. Якщо р – частота гена А – рівна Ѕ , то q – частота гена а – рівна 1 – р, тобто 1- Ѕ = Ѕ. По формулі частота генотипу АА, тобто p2, рівна ( Ѕ)2 = ј, а частота генотипу Аа, тобто 2pq, рівна 2* Ѕ* Ѕ= Ѕ; частота генотипу аа, тобто q2, рівна ( Ѕ)2, або ј. Будь-яка популяція, в якій розподіл аллелей А і а відповідають співвідношенню p2AA+2pqAa+q2aa, знаходяться в генетичній рівновазі. Відносні частоти цих аллелей в подальших поколіннях будуть такими ж (якщо вони не зміняться під дією відбору або в результаті мутацій). Це уявлення про математичну основу генетичної рівноваги в популяції і про зміни його під впливом мутацій і відбору складає фундамент сучасних концепцій про дію природного відбору в процесі еволюції.
Звідси витікає, що якщо p2 (частота генотипу АА) або q2 (частота генотипу аа) відома, то можна підрахувати частоту інших генотипів. Аби визначити число людей в популяції, що є носіями даної ознаки, потрібно лише знати, чи зв'язано його спадкоємство з однією парою генів, і встановити частоту появи індивідуумів, гомозиготних за рецесивною ознакою. Наприклад, обстеження показали, що частота альбіносів (генетично аа) в популяції складає приблизно 1 на 20 000. Підставимо цю частоту особин аа, рівну 1/20 000, у формулу Харді – Вейнберга на місце q2. Корінь квадратний з 20 000 рівний приблизно 141; отже, q = 1/141 . Оскільки p+q=1, p=1-q, або 1- 1/141, або 140/141. Тепер ми можемо обчислити 2pq, тобто частоту, з якою зустрічаються особині Аа, гетерозиготні по гену альбінізму. Ця частота дорівнює 2 * 140/141 * 1/141 = 1/70, тобто приблизно одна особина з кожних 70 є носієм гена альбінізму. Настільки висока частота такої рідкої особливості може здатися дивною, проте було обчислено, що кожен з нас є носієм в середньому 8 рецесивних небажаних генів.
Здатність або нездатність відчувати смак фенилтиомочевины і родинних нею з'єднань з групою
N – C = S
|
Є спадковою ознакою.
Одні люди знаходять, що ця речовина має гіркий смак, інші ж говорять, що воно досконале без смаку. Снайдер досліджував 3643 людини і знайшов, що 70,2% з них є такими, що «відчувають», а 29,8% - що не «відчуваються» цей смак. Якщо відмінність між тими і іншими обумовлена однією парою генів і якщо здатність відчувати смак домінує над нездатністю, то, згідно математичним закономірностям генетики популяції, в браках тих, що «відчувають» з тими, що не «відчувають» 12,4% дітей має бути такими, що не «відчувають».
ТАБЛИЦЯ.
СПАДКОЄМСТВО ЗДАТНОСТІ ВІДЧУВАТИ СМАК ФЕНІЛТІОМОЧЕВІНИ.
| БРАКИ | Число сімей | НАЩАДКИ | Доля тих, що не «відчувають» | ||
| що «відчувають» | що не «відчувають» | Спостережу-вана | розрахована | ||
| «ощущающий»*«ощущающий» «ощущающий»*«неощущающий» «неощущающий»*«неощущающий» | 425 289 86 | 929 483 5 | 130 278 218 | 0,123 0,336 0,979 | 0,124 0,354 1,0 |
Із закону Харді – Вейнберга слідує, що серед нащадків від браків людей, що «відчувають» смак фенилтиомочевины, з людьми, що не «відчуваються» його, число людей з рецесивною ознакою рівне q/1+q. Серед дітей від браків тих, що «відчувають» з тими, що не «відчувають» число людей з рецесивною ознакою, тобто що не «відчувають», рівно (q/1+q)2. Оскільки частота в популяції тих, що «відчувають» індивідуума складає 29,8%, q2=0,298, q=0,545, q/1+q=0,354 і (q/1+q)2=0,124.
В той же час серед дітей від браків тих, що «відчувають» з тими, що не «відчувають» 35,5% мають бути такими, що не «відчуваються». За даними Снайдера, цифри, отримані для дітей від браків вказаних двох типів, складали 12,3 і 33,6%. Така близька відповідність свідчить про правильність нашого вихідного припущення, що відмінність між здатністю і нездатністю відчувати смак фенилтиомочевины контролюється однією парою аллелей.
Іншим прикладом практичного використання закону Харді – Вейнберга служить вивчення спадкоємства груп крові M, MN і N. У США 29,16% білого населення має групу крові M, 49, 58% - групу MN і 21,26% - групу N. Застосування до цих даних закон Харді – Вейнберга, обчислюваний q2=0,2126, звідки q=0,46. Аби визначити значення p, віднімаємо 0,46 з 1 і отримуємо р=0,54; p2=(0,54)2=0,29, а 2pq=2*0,54*0,46=0,49. Прекрасний збіг теоретичних і спостережуваних величин служить доказом того, що спадкоємство груп крові M і N визначається однією парою генів, причому жоден з цих генів не домінує над іншим (такі гени можна назвати кодомінантними); в результаті в крові гетерозигот виявляються обоє роду антигенів.
ФЕНІЛКЕТОНУРІЯ – спадкове захворювання людини, при якій фенилаланин і фенілпіровиноградна кислота накопичуються в крові і виділяються з сечею. При цьому блокується реакція перетворення фенилаланина в Тирозин. Перетворення фенилаланина на Тирозин – складна біохімічна реакція, для якої необхідна присутність відновленого трифосфопиридиннуклеотида, молекулярного кисню і двох фракцій білка. Хворі з фенілкетонурією позбавлені одній з цих двох фракцій. Захворювання передається однією парою генів, причому ген, що обумовлює хворобу, рецесивний по відношенню до гена нормального стану. Хвороба завжди супроводиться розумовою недостатністю. Частота гена (q) в США складає близько 0,005, а частота гетерозигот – приблизно 1 на 100 чоловік (2pq=2*0,995*0,005=0,01).
Якщо дитяти з фенілкетонурією незабаром після народження посадити на дієту з дуже низьким вмістом фенилаланина, то прояви симптомів захворювання у нього буде помітно слабкіше, ніж у звичайних хворих з фенілкетонурією. Наявні дані показують, що порушення розумових здібностей можна зменшити, підтримуючи рівень фенилаланина в сечі і крові в межах норми. Оскільки фенилаланин належить до незамінних амінокислот, зовсім виключити його з харчового раціону не можна і кількість його має бути достатньою, аби дитя могло зростати. Гомозиготних здорових людей і людей, гетерозиготних по гену фенілкетонурії, можна визначити за допомогою тесту, при якому випробовуваним дається фенилаланин і вимірюється швидкість виведення його з сечею. Гетерозиготні носії цієї ознаки відрізняються від здорових людей зниженою здібністю до обміну фенилаланина. Так, при стандартній кількості отримуваного фенилаланина рівень його в крові і сечі гетерозигот буде вищий, ніж у здорових людей. Проте результати, отримані з гомозиготними здоровими людьми і гетерозиготними носіями, частково збігаються, так що цей тест не може дати точну відповідь, чи є даний індивідуум носієм цієї ознаки.
Інше рідке спадкове порушення обміну – ГАЛАКТОЗЕМІЯ – полягає в нездатності організму людини метаболизировать гелактозу звичайним способом. Галактоза виділяється з сечею і накопичується у вигляді галактозофосфата в тканинах. Якщо дитяти з галактоземией не лікувати відповідним чином, то дуже великий ризик, що він не зможе вижити. Головним джерелом галактози в раціоні служать, звичайно, молоко і молочні продукти; якщо виключити їх з дієти, то дитя виживе, і зростатиме. Це один з вражаючих прикладів справедливості прислів'я «ЩО ОДНОМУ ЗДОРОВО, ТО ІНШОМУ - СМЕРТЬ».
У людей, страждаючих галактоземией, відсутній фермент фосфогалактозоуридилтрансфераза. У здорових людей цей фермент міститься в еритроцитах. Тому за допомогою хімічного аналізу невеликої кількості крові можна визначити наявність або відсутність ферменту і з великою точністю поставити діагноз.
2. Классические законы Г. Менделя
2.1. Гениальное предвидение или творческая удача?
Основные законы наследуемости были описаны более века назад чешским монахом Грегором Менделем (1822-1884), преподававшим физику и естественную историю в средней школе г. Брюнна (г. Брно).
Мендель занимался селекционированием гороха, и именно гороху, научной удаче и строгости опытов Менделя мы обязаны открытием основных законов наследуемости: закона единообразия гибридов первого поколения, закона расщепления и закона независимого комбинирования.
Некоторые исследователи выделяют не три, а два закона Менделя. Например, в руководстве «Генетика человека» Ф. Фогеля и А. Мотульски излагаются три закона, а в книге Л. Эрман и П. Парсонса «Генетика поведения и эволюция» – два. При этом некоторые ученые объединяют первый и второй законы, считая, что первый закон является частью второго и описывает генотипы и фенотипы потомков первого поколения (F 1). Другие исследователи объединяют в один второй и третий законы, полагая, что «закон независимого комбинирования» есть в сущности «закон независимости расщепления», протекающего одновременно по разным парам аллелей. Однако в отечественной литературе речь идет обычно о трех законах Менделя. Эту точку зрения принимаем и мы .
Г. Мендель не был пионером в области изучения результатов скрещивания растений. Такие эксперименты проводились и до него, с той лишь разницей, что скрещивались растения разных видов. Потомки подобного скрещивания (поколение F 1) были стерильны, и, следовательно, оплодотворения и развития гибридов второго поколения (при описании селекционных экспериментов второе поколение обозначается F2) не происходило. Другой особенностью доменделевских работ было то, что большинство признаков, исследуемых в разных экспериментах по скрещиванию, были сложны как по типу наследования, так и с точки зрения их фенотипического выражения. Гениальность (или удача?) Менделя заключалась в том, что в своих экспериментах он не повторил ошибок предшественников. Как писала английская исследовательница Ш. Ауэрбах, «успех работы Менделя по сравнению с исследованиями его предшественников объясняется тем, что он обладал двумя существенными качествами, необходимыми для ученого: способностью задавать природе нужный вопрос и способностью правильно истолковывать ответ природы». Во-первых, в качестве экспериментальных растений Мендель использовал разные сорта декоративного гороха внутри одного рода Pisum. Поэтому растения, развившиеся в результате подобного скрещивания, были способны к воспроизводству. Во -вторых, в качестве экспериментальных признаков Мендель выбрал простые качественные признаки типа «или /или» (например, кожура горошины может быть либо гладкой, либо сморщенной), которые, как потом выяснилось, контролируются одним геном. В-третьих, подлинная удача (или гениальное предвидение?) Менделя заключалось в том, что выбранные им признаки контролировались генами, содержавшими истинно доминантные аллели. И, наконец, интуиция подсказала Менделю, что все категории семян всех гибридных поколений следует точно, вплоть до последней горошины, пересчитывать, не ограничиваясь общими утверждениями, суммирующими только наиболее характерные результаты (скажем, таких–то семян больше, чем таких-то).
Мендель экспериментировал с 22 разновидностями гороха, отличавшимися друг от друга по 7 признакам (цвет, текстура семян). Свою работу Мендель вел восемь лет, изучил 10 000 растений гороха. Все формы гороха, которые он исследовал, были представителями чистых линий; результаты скрещивания таких растений между собой всегда были одинаковы. Результаты работы Мендель привел в статье 1865 г., которая стала краеугольным камнем генетики. Трудно сказать, что заслуживает большего восхищения в нем и его работе – строгость проведения экспериментов, четкость изложения результатов, совершенное знание экспериментального материала или знание работ его предшественников.
Коллеги и современники Менделя не смогли оценить важности сделанных им выводов. По свидетельству А.Е. Гайсиновича, до конца XIX в. ее цитировали всего пять раз, и только один ученый – русский ботаник И.О. Шмальгаузен – оценил всю важность этой работы. Однако в начале XX столетия законы, открытые им, были переоткрыты практически одновременно и независимо друг от друга учеными К. Корренсом, Э. Чермаком и К. де Фризом. Значимость этих открытий сразу стала очевидна научному сообществу начала 1900-х годов; их признание было связано с определенными успехами цитологии и формированием гипотезы ядерной наследственности.
2.2. Закон единообразия гибридов первого поколения (первый закон Менделя)
Данный закон утверждает, что скрещивание особей, различающихся по данному признаку (гомозиготных по разным аллелям), дает генетически однородное потомство (поколение F 1), все особи которого гетерозиготны. Все гибриды F 1 могут иметь при этом либо фенотип одного из родителей (полное доминирование), как в опытах Менделя, либо, как было обнаружено позднее, промежуточный фенотип (неполное доминирование). В дальнейшем выяснилось, что гибриды первого поколения F 1, могут проявить признаки обоих родителей (кодоминирование). Этот закон основан на том, что при скрещивании двух гомозиготных по разным аллелям форм (АА и aа) все их потомки одинаковы по генотипу (гетерозиготны – Аа), а значит, и по фенотипу.
2.3. Закон расщепления (второй закон Менделя)
Этот закон называют законом (независимого) расщепления. Суть его состоит в следующем. Когда у организма, гетерозиготного по исследуемому признаку, формируются половые клетки – гаметы, то одна их половина несет один аллель данного гена, а вторая – другой. Поэтому при скрещивании таких гибридов F 1 между собой среди гибридов второго поколения F2 в определенных соотношениях появляются особи с фенотипами как исходных родительских форм , так и F 1.
В основе этого закона лежит закономерное поведение пары гомологичных хромосом (с аллелями А и а), которое обеспечивает образование у гибридов F 1 гамет двух типов, в результате чего среди гибридов F2 выявляются особи трех возможных генотипов в соотношении 1АА : 2 Аа : 1аа. Иными словами, «внуки» исходных форм – двух гомозигот, фенотипически отличных друг от друга, дают расщепление по фенотипу в соответствии со вторым законом Менделя.
Однако это соотношение может меняться в зависимости от типа наследования. Так, в случае полного доминирования выделяются 75% особей с доминантным и 25% с рецессивным признаком, т.е. два фенотипа в отношении 3:1. При неполном доминировании и кодоминировании 50% гибридов второго поколения (F2) имеют фенотип гибридов первого поколения и по 25% – фенотипы исходных родительских форм , т .е . наблюдается расщепление 1 :2:1 .
2.4. Закон независимого комбинирования (наследования) признаков (третий закон Менделя)
Этот закон говорит о том, что каждая пара альтернативных признаков ведет себя в ряду поколений независимо друг от друга, в результате чего среди потомков первого поколения (т.е. в поколении F2) в определенном соотношении появляются особи с новыми (по сравнению с родительскими) комбинациями признаков. Например, в случае полного доминирования при скрещивании исходных форм, различающихся по двум признакам, в следующем 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 поведении (расщеплении) нескольких пар гомологичных хромосом. Так, при дигибридном скрещивании это приводит к образованию у гибридов первого поколения (F 1) 4 типов гамет (АВ, Ав, аВ, ав), а после образования зигот – к закономерному расщеплению по генотипу и, соответственно, по фенотипу в следующем поколении (F2).
Парадоксально, но в современной науке огромное внимание уделяется не столько самому третьему закону Менделя в его исходной формулировке, сколько исключениям из него. Закон независимого комбинирования не соблюдается в том случае, если гены, контролирующие изучаемые признаки, сцеплены, т.е. располагаются по соседству друг с другом на одной и той же хромосоме и передаются по наследству как связанная пара элементов, а не как отдельные элементы. Научная интуиция Менделя подсказала ему, какие признаки должны быть выбраны для его дигибридных экспериментов, – он выбрал несцепленные признаки. Если бы он случайно выбрал признаки, контролируемые сцепленными генами, то его результаты были бы иными, поскольку сцепленные признаки наследуются не независимо друг от друга.
С чем же связана важность исключений из закона Менделя о независимом комбинировании? Дело в том, что именно эти исключения позволяют определять хромосомные координаты генов (так называемый локус).
В случаях когда наследуемость определенной пары генов не подчиняется третьему закону Менделя, вероятнее всего эти гены наследуются вместе и, следовательно, располагаются на хромосоме в непосредственной близости друг от друга. Зависимое наследование генов называется сцеплением, а статистический метод, используемый для анализа такого наследования, называется методом сцепления. Однако при определенных условиях закономерности наследования сцепленных генов нарушаются. Основная причина этих нарушений – явление кроссинговера, приводящего к перекомбинации (рекомбинации) генов. Биологическая основа рекомбинации заключается в том, что в процессе образования гамет гомологичные хромосомы, прежде чем разъединиться, обмениваются своими участками.
Кроссинговер – процесс вероятностный, а вероятность того, произойдет или не произойдет разрыв хромосомы на данном конкретном участке, определяется рядом факторов, в частности физическим расстоянием между двумя локусами одной и той же хромосомы. Кроссинговер может произойти и между соседними локусами, однако его вероятность значительно меньше вероятности разрыва (приводящего к обмену участками) между локусами с большим расстоянием между ними.
Данная закономерность используется при составлении генетических карт хромосом (картировании). Расстояние между двумя локусами оценивается путем подсчета количества рекомбинаций на 100 гамет. Это расстояние считается единицей измерения длины гена и называется сентиморганом в честь генетика Т. Моргана, впервые описавшего группы сцепленных генов у плодовой мушки дрозофилы – любимого объекта генетиков. Если два локуса находятся на значительном расстоянии друг от друга, то разрыв между ними будет происходить так же часто, как при расположении этих локусов на разных хромосомах.
Используя закономерности реорганизации генетического материала в процессе рекомбинации, ученые разработали статистический метод анализа, называемый анализом сцепления.
Законы Менделя в их классической форме действуют при наличии определенных условий. К ним относятся:
1) гомозиготность исходных скрещиваемых форм;
2) образование гамет гибридов всех возможных типов в равных соотношениях (обеспечивается правильным течением мейоза; одинаковой жизнеспособностью гамет всех типов; равной вероятностью встречи любых гамет при оплодотворении);
3) одинаковая жизнеспособность зигот всех типов.
Нарушение этих условий может приводить либо к отсутствию расщепления во втором поколении, либо к расщеплению в первом поколении; либо к искажению соотношения различных генотипов и фенотипов. Законы Менделя имеют универсальный характер для всех диплоидных организмов, размножающихся половым способом. В целом они справедливы для аутосомных генов с полной пенетрантностью (т.е. 100-процентной частотой проявления анализируемого признака; 100% пенетрантность подразумевает, что признак выражен у всех носителей аллеля, детерминирующего развитие этого признака) и постоянной экспрессивностью (т.е. постоянной степенью выраженности признака); постоянная экспрессивность подразумевает, что фенотипическая выраженность признака одинакова или примерно одинакова у всех носителей аллеля, детерминирующего развитие этого признака.
Знание и применение законов Менделя имеет огромное значение в медико-генетическом консультировании и определении генотипа фенотипически «здоровых» людей, родственники которых страдали наследственными заболеваниями, а также в выяснении степени риска развития этих заболеваний у родственников больных.
Расщепление по фенотипу и генотипу в F2 при дигибридном скрещивании:
3. Признание открытий Менделя
Великие открытия часто признаются не сразу. Хотя труды Общества, где была опубликована статья Менделя, поступили в 120 научных библиотек, а Мендель дополнительно разослал 40 оттисков, его работа имела лишь один благосклонный отклик – от К. Негели, профессора ботаники из Мюнхена. Негели сам занимался гибридизацией, ввел термин «модификация» и выдвинул умозрительную теорию наследственности. Однако он усомнился в том, что выявленные на горохе законы имеет всеобщий характер и посоветовал повторить опыты на других видах. Мендель почтительно согласился с этим. Но его попытка повторить на ястребинке, с которой работал Негели, полученные на горохе результаты оказалась неудачной. Лишь спустя десятилетия стало ясно почему. Семена у ястребинки образуются партеногенетически, без участия полового размножения. Наблюдались и другие исключения из принципов Менделя, которые нашли истолкование гораздо позднее. В этом частично заключается причина холодного приема его работы. Начиная с 1900 г., после практически одновременной публикации статей трех ботаников – Х. Де Фриза, К. Корренса и Э. Чермака-Зейзенегга, независимо подтвердивших данные Менделя собственными опытами, произошел мгновенный взрыв признания его работы. 1900 считается годом рождения генетики.
Вокруг парадоксальной судьбы открытия и переоткрытия законов Менделя создан красивый миф о том, что его работа оставалась совсем неизвестной и на нее лишь случайно и независимо, спустя 35 лет, натолкнулись три переоткрывателя. На самом деле, работа Менделя цитировалась около 15 раз в сводке о растительных гибридах 1881 г., о ней знали ботаники. Более того, как выяснилось недавно при анализе рабочих тетрадей К. Корренса, он еще в 1896 г. читал статью Менделя и даже сделал ее реферат, но не понял в то время ее глубинного смысла и забыл.
Стиль проведения опытов и изложения результатов в классической статье Менделя делают весьма вероятным предположение, к которому в 1936 г. пришел английский математический статистик и генетик Р.Э. Фишер: Мендель сначала интуитивно проник в «душу фактов» и затем спланировал серию многолетних опытов так, чтобы озарившая его идея выявилась наилучшим образом. Красота и строгость числовых соотношений форм при расщеплении (3:1 или 9:3:3:1), гармония, в которую удалось уложить хаос фактов в области наследственной изменчивости, возможность делать предсказания — все это внутренне убеждало Менделя во всеобщем характере найденных им на горохе законов. Оставалось убедить научное сообщество. Но эта задача столь же трудна, сколь и само открытие. Ведь знание фактов еще не означает их понимания. Крупное открытие всегда связано с личностным знанием, ощущениями красоты и целостности, основанных на интуитивных и эмоциональных компонентах. Этот внерациональный вид знания передать другим людям трудно, ибо с их стороны нужны усилия и такая же интуиция.
4. Значение работ Менделя для развития генетики
В 1863 г. Мендель закончил эксперименты и в 1865 г. на двух заседаниях Брюннского общества естествоиспытателей доложил результаты своей работы. В 1866 г. в трудах общества вышла его статья «Опыты над растительными гибридами», которая заложила основы генетики как самостоятельной науки. Это редкий в истории знаний случай, когда одна статья знаменует собой рождение новой научной дисциплины. Почему принято так считать?
Работы по гибридизации растений и изучению наследования признаков в потомстве гибридов проводились десятилетия до Менделя в разных странах и селекционерами, и ботаниками. Были замечены и описаны факты доминирования, расщепления и комбинирования признаков, особенно в опытах французского ботаника Ш. Нодена. Даже Дарвин, скрещивая разновидности львиного зева, отличные по структуре цветка, получил во втором поколении соотношение форм, близкое к известному менделевскому расщеплению 3:1, но увидел в этом лишь «капризную игру сил наследственности». Разнообразие взятых в опыты видов и форм растений увеличивало количество высказываний, но уменьшало их обоснованность. Смысл или «душа фактов» (выражение Анри Пуанкаре) оставались до Менделя туманными.
Совсем иные следствия вытекали из семилетней работы Менделя, по праву составляющей фундамент генетики. Во-первых, он создал научные принципы описания и исследования гибридов и их потомства (какие формы брать в скрещивание, как вести анализ в первом и втором поколении). Мендель разработал и применил алгебраическую систему символов и обозначений признаков, что представляло собой важное концептуальное нововведение. Во-вторых, Мендель сформулировал два основных принципа, или закона наследования признаков в ряду поколений, позволяющие делать предсказания. Наконец, Мендель в неявной форме высказал идею дискретности и бинарности наследственных задатков: каждый признак контролируется материнской и отцовской парой задатков (или генов, как их потом стали называть), которые через родительские половые клетки передаются гибридам и никуда не исчезают. Задатки признаков не влияют друг на друга, но расходятся при образовании половых клеток и затем свободно комбинируются у потомков (законы расщепления и комбинирования признаков). Парность задатков, парность хромосом, двойная спираль ДНК – вот логическое следствие и магистральный путь развития генетики ХХ века на основе идей Менделя.
Название новой науки – генетика (лат. «относящийся к происхожде-нию, рождению») – было предложено в 1906 г. английским ученым В. Бэтсоном. Датчанин В. Иоганнсен в 1909 г. утвердил в биологической литературе такие принципиально важные понятия, как ген (греч. «род, рождение, происхождение»), генотип и фенотип. На этом этапе истории генетики была принята и получила дальнейшее развитие менделевская, по существу умозрительная, концепция гена как материальной единицы наследственности, ответственной за передачу отдельных признаков в ряду поколений организмов. Тогда же голландский ученый Г. де Фриз (1901) выдвинул теорию изменчивости, основанную на представлении о скачкообразности изменений наследственных свойств в результате мутаций.
Работами Т.Г. Моргана и его школы в США (А. Стертевант, Г. Меллер, К. Бриджес), выполненными в 1910-1925 гг., была создана хромосомная теория наследственности, согласно которой гены являются дискретными элементами нитевидных структур клеточного ядра – хромосом. Были составлены первые генетические карты хромосом плодовой мушки, ставшей к тому времени основным объектом генетики. Хромосомная теория наследственности прочно опиралась не только на генетические данные, но и на наблюдения о поведении хромосом в митозе и мейозе, о роли ядра в наследственности. Успехи генетики в значительной мере определяются тем, что она опирается на собственный метод – гибридологический анализ, основы которого заложил Мендель.
Заключение
Менделевская теория наследственности, т.е. совокупность представ-лений о наследственных детерминантах и характере их передачи от родителей к потомкам, по своему смыслу прямо противоположна доменделевским теориям, в частности теории пангенезиса, предложенной Дарвином. В соответствии с этой теорией признаки родителей прямо, т.е. от всех частей организма, передаются потомству. Поэтому характер признака потомка должен прямо зависеть от свойств родителя. Это полностью противоречит выводам, сделанным Менделем: детерминанты наследствен-ности, т.е. гены, присутствуют в организме относительно независимо от него самого. Характер признаков (фенотип) определяется их случайным сочетанием. Они не модифицируются какими-либо частями организма и находятся в отношениях доминантности-рецессивности. Таким образом, менделевская теория наследственности противостоит идее наследования приобретенных в течение индивидуального развития признаков.
Опыты Менделя послужили основой для развития современной генетики – науки, изучающей два основных свойства организма – наследственность и изменчивость. Ему удалось выявить закономерности наследования благодаря принципиально новым методическим подходам:
1) Мендель удачно выбрал объект исследования;
2) он проводил анализ наследования отдельных признаков в потомстве скрещиваемых растений, отличающихся по одной, двум и трем парам контрастных альтернативных признаков. В каждом поколении велся учет отдельно по каждой паре этих признаков;
3) он не просто зафиксировал полученные результаты, но и провел их математическую обработку.
Перечисленные простые приемы исследования составили принципиально новый, гибридологический метод изучения наследования, ставший основой дальнейших исследований в генетике.
Д/З § 8 – 11. Конспект.
Переглянути файли за адресою:
/view/3031282?r=1987