Классические законы г. Менделя 42

Вид материала

Закон

Содержание Гл а в а II КЛАССИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ Г. МЕНДЕЛЯ 2.Закон единообразия гпбрпдов 3.Закон расщепления (второй закон менделя) Аи а), которое обеспечивает образо­вание у гибридов F Доминантное наследование: болезнь гентингтона (хорея гентпнгтона) Рецессивное наследование: фенплкетонурия 4.Закон независимого комбинирования (наследования)признаков (третий закон менделя)

Подобный материал:

• Лекции тема 7, 852.45kb.
• Законы делимости (дискретности) в мире животных и растений. Законы наследственности, 276.87kb.
• Н. брумберг, В. Попов, 78.9kb.
• Решение задач по генетике с использованием законов Г. Менделя, 419.2kb.
• Лекция 18. Генетика. Первый и второй законы Г. Менделя, 108.91kb.
• Темы уирс: Этапы развития медицинской генетики. Наследственно обусловленные патологические, 69.44kb.
• Применение flash – анимаций на уроках биологии, 68.93kb.
• Направление: Искусство и гуманитарные науки, 1316.91kb.
• Основные причины и условия жестокого поведения Введение, 1346.89kb.
• Лекция Классические маркеры I типа, 237.04kb.

Гл а в а II

КЛАССИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ Г. МЕНДЕЛЯ

1. ГЕНИАЛЬНОЕ ПРЕДВИДЕНИЕ ПЛИ 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.

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,) 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» [9]. Во-первых, в качестве экспериментальных растений Мен-

* Надо сказать, что некоторые исследователи выделяют не три, а два закона Менделя. Например, в руководстве «Генетика человека» Ф. Фогеля и А. Мотульс-ки (рус. изд. — 1989 г.) излагаются три закона, а в книге Л. Эрман и П. Парсонса «Генетика поведения и эволюция» (рус. изд. — 1984 г.) — 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 (/",). 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.

Конец страницы №69

Начало страницы №70

дель 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 [34], до конца XIX в. ее цитировали всего пять раз, и только один ученый — русский ботаник И.Ф. 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.ЗАКОН ЕДИНООБРАЗИЯ ГПБРПДОВ

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_t), все особи кото­рого гетерозиготны. Все гибриды F_x 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_t могут проявить признаки обоих родителей (кодо-минирование). Этот закон основан на том, что при скрещивании двух гомозиготных по разным аллелям форм (АА и аа) все их потомки оди­наковы по генотипу (гетерозиготны — Аа), а значит, и по фенотипу.

* Интересующимся историей генетики можно посоветовать прекрасное изло­жение ее в книге А.Е. Гайсиновича «Зарождение и развитие генетики» (М., 1988).

Конец страницы №70

Начало страницы №71

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_l между собой среди гиб­ридов второго поколения F₂ в определенных соотношениях появляют­ся особи с фенотипами как исходных родительских форм, так и F_v

В основе этого закона лежит закономерное поведение пары гомо­логичных хромосом (с аллелями Аи а), которое обеспечивает образо­вание у гибридов F_{ гамет двух типов, в результате чего среди гибри­дов F₂ выявляются особи трех возможных генотипов в соотношении \АА : 2Аа : \аа. 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 кодомини-ровании 50% гибридов второго поколения (F₂) имеют фенотип гиб­ридов первого поколения и по 25% — фенотипы исходных родитель­ских форм, т.е. наблюдается расщепление 1:2:1.

Приведем некоторые примеры этих типов наследования.

ДОМИНАНТНОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ: БОЛЕЗНЬ ГЕНТИНГТОНА (ХОРЕЯ ГЕНТПНГТОНА)

Хорея Гентингтона (ХГ) — дегенеративное заболевание нервных клеток в базальных структурах переднего мозга. Оно начинается с из­менений личности больного и сопровождается прогрессирующей за­бывчивостью, слабоумием и появлением непроизвольных движений. Обычно заболевание диагностируется в зрелом возрасте (45—60 лет), и в течение последующих 15—20 лет пациент полностью теряет конт­роль над моторикой и когнитивной сферой. Способ лечения этого за­болевания пока неизвестен. Частота встречаемости ХГ составляет при­мерно 1 на 20 000 человек, т.е. примерно четверть миллиона человек на земном шаре сегодня больны или в скором времени заболеют ХГ.

При изучении родственников больных ХГ выяснилось, что это заболевание может быть прослежено в семьях пациентов на много поколений назад и что ХГ наследуется согласно определенному меха­низму: по крайней мере один из родителей каждого пациента страдал этим заболеванием и примерно половина детей этих больных также страдают им. Рис. 2.1 представляет собой иллюстрацию родословной семьи пробанда — носителя заболевания, страдающего ХГ.

Конец страницы №71

Начало страницы №72


Рис. 2.1. Пример родословной се­мьи, в которой хорея Гентингтона передается по наследству (один из родителей пробанда также страдает этим заболеванием).

П — мужчина; О — женщина; Q-O — супружеская пара; '-ЬР — супружеская пара и их ребенок; ф или ■ — носитель заболевания; Jb или у,Ш — пробанд — носитель заболевания, через которого были собраны сведения о родословной. (Подробнее о правилах составления ге­неалогических древ см. гл. VII.)
ХГ передается по наследству как доминантный признак. Инди­видуум, страдающий ХГ, являет­ся носителем одного доминантно­го аллеля (Л), вызывающего раз­витие заболевания, и одного нормального (рецессивного) ал­леля (х). Крайне редки случаи, когда пациент имеет два доминан­тных аллеля — эта ситуация пред­полагает, что оба родителя тако­го пациента страдают ХГ. Люди, не страдающие ХГ, обладают дву­мя рецессивными аллелями toe). Родитель, страдающий ХГ, чаще всего является носителем геноти­па- Хх и в момент скрещивания порождает гамету (яйцо или спер„-мий) либо с X, либо с х аллелем. Гаметы нормального родителя всегда содержат рецессивные ал­лели х. Четыре возможных комби­нации этих аллелей показаны на рис. 2.2. Дети таких родителей всегда наследуют один здоровый аллель, передаваемый по наследству нор­мальным родителем. Однако, поскольку при зачатии аллели родите­лей комбинируются по случайному закону, для каждого из потомков вероятность наследования аллеля X от родителя, страдающего ХГ,



Рис. 2.2. Схема скрещивания: аллельный механизм наследования хореи Гентингтона (пример доминантного наследования).

[Х\ — доминантный аллель, вызывающий развитие ХГ; [х\ — рецессивный аллель (здоровый).

Конец страницы №72

Начало страницы №73

составляет 50%. Этим и объясняется тот факт, что у родителей, пора­женных ХГ, только 50% детей страдают тем же заболеванием.

Для ХГ характерна одна особенность: первые симптомы этого за­болевания проявляются лишь в зрелом возрасте, т.е. тогда, когда боль­шинство людей уже создали семью и обзавелись детьми. В ином случае пациенты, страдающие ХГ, вообще не могли бы иметь потомков, так как умирали бы до наступления половой зрелости. Передача по на­следству доминантного аллеля X возможна именно потому, что его летальный эффект не проявляется до начала репродуктивного периода.

Эта особенность развития ХГ создает чрезвычайно щепетильную психо­логическую ситуацию. В 1993 г. ученые открыли ген на хромосоме 4, вызы­вающий ХГ, и разработали молекулярно-генетический метод, позволяющий тестировать каждого человека с тем, чтобы определить, является ли данный индивидуум носителем патологического аллеля-мутанта (аллеля X).

Представьте себе следующую ситуацию. Ваши бабушка и дедушка по материнской линии умерли достаточно рано, и в семье не сохранилось ника­ких свидетельств того, что один из них, возможно, был носителем гена ХГ. Вашей матери 53, она больна ХГ. Вам 30, и у Вас есть возможность обратить­ся в лабораторию клинической генетики с тем, чтобы Вам сказали, являетесь Вы носителем гена X или нет. Вероятность того, что Вы — носитель этого гена, достаточно велика и составляет = 50%. Захотите ли Вы пройти подобный тест?

Исследования показывают, что большинство взрослых людей, для кото­рых риск развития ХГ высок (поскольку один из родителей болен), предпочи­тают подобный тест не проходить. Этот тест, однако, имеет принципиально другое значение в пренатальной диагностике, когда заранее можно опреде­лить, является ли развивающийся организм носителем аллеля X. Ранняя пре-натальная диагностика позволяет родителям сделать осмысленный выбор относительно жизни их будущего ребенка, а также создает возможность ран­него пренатального клинического вмешательства.

РЕЦЕССИВНОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ: ФЕНПЛКЕТОНУРИЯ

Закон расщепления объясняет и наследование фенилкетонурии (ФКУ) — заболевания, развивающегося в результате избытка важной аминокислоты — фенилаланина (Phe) в организме человека. Избыток фенилаланина приводит к развитию умственной отсталости. Частота встречаемости ФКУ относительно низка (примерно 1 на 10 000 ново­рожденных), тем не менее около 1% умственно отсталых индивидуу­мов страдают ФКУ, составляя, таким образом, сравнительно боль­шую группу пациентов, умственная отсталость которых объясняется однородным генетическим механизмом.

Как и в случае ХГ, исследователи изучали частоту встречаемости ФКУ в семьях пробандов. Оказалось, что пациенты, страдающие ФКУ, обычно имеют здоровых родителей. Кроме того, было замечено, что ФКУ чаще встречается в семьях, в которых родители являются кров­ными родственниками. Пример семьи пробанда, страдающего ФКУ

Конец страницы №73

Начало страницы №74



показан на рис. 2.3: больной ребенок родился у фенотипи-чески здоровых родителей-кровных родственников (дво­юродных брата и сестры), но сестра отца ребенка страдает ФКУ.

ФКУ передается по рецес­сивному типу наследования, т.е. генотип больного содержит два аллеля ФКУ, полученные от обоих родителей. Потомки, которые имеют только один такой аллель, не страдают за­болеванием, но являются но-сителями аллеля ФКУ к могут передать его своим детям. На рис. 2.4 показаны пути насле_; дования аллелей ФКУ от двух фенотипически нормальных родителей. Каждый из родите-


Рис. 2.3. Пример родословной семьи, в которой ФКУ передается по наследству (тетя пробанда страдает этим заболева­нием).

Двойная линия между супругами обознача­ет кровнородственный брак.

Остальные обозначения те же, что и на рис. 2.1.
родителей. Каждый из родите­лей имеет один аллель ФКУ и один нормальный аллель. Вероятность того, что каждый ребенок может унаследовать аллель ФКУ от каждо­го из родителей, составляет 50%. Вероятность того, что ребенок унас­ледует аллели ФКУ от обоих родителей одновременно, составляет 25% (0,5 х 0,5 = 0,25; вероятности умножаются, поскольку события насле­дования аллелей от каждого из родителей независимы друг от друга). Ген ФКУ и его структурные варианты, встречающиеся в разных популяциях, хорошо изучены. Знания, имеющиеся в нашем распоря-



Рис. 2.4. Схема скрещивания: аллельный механизм наследования ФКУ. Ф — доминантный аллель («здоровый»); [ф] — рецессивный аллель, вызывающий развитие заболевания. ФФ, Фф — фенотипически нормальные дети (их 75%): толь­ко 25% имеют нормальный генотип (ФФ); еще 50% фенотипически здоровы, но являются носителями аллеля ФКУ (Фф). Оставшиеся 25% потомков — больны

Конец страницы №74

Начало страницы №75

жении, позволяют проводить своевременную пренатальную диагнос­тику с тем, чтобы определить, унаследовал ли развивающийся заро­дыш две копии аллеля ФКУ от обоих родителей (факт такого наследо­вания резко повышает вероятность заболевания). В некоторых странах, например в Италии, где частота встречаемости ФКУ достаточно вы­сока, такая диагностика проводится в обязательном порядке для каж­дой беременной женщины.

Как уже отмечалось, ФКУ чаще встречается среди тех, кто всту­пает в брак с кровными родственниками. Несмотря на то что встреча­емость ФКУ сравнительно низка, примерно 1 человек из 50 является носителем аллеля ФКУ. Вероятность того, что один носитель аллеля ФКУ вступит в брак с другим носителем такого аллеля, составляет примерно 2%. Однако при заключении брака между кровными род­ственниками (т.е. если супруги принадлежат к одной родословной, в которой аллель ФКУ передается по наследству) вероятность того, что оба супруга окажутся носителями аллеля ФКУ и одновременно пере­дадут два аллеля будущему ребенку, станет значительно выше 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 (FJ 4 типов гамет (АВ, Ав, а В, 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 дол-

Конец страницы №75

Начало страницы №76

жны 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 хромосе 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 крос-синговера, приводящего к перекомбинации (рекомбинации) генов. Генологическая основа рекомбинации заключается в том, что_в_гщоцессе образования гамет гомологичные хромосомы, прежде чем разъеди­ниться, обмениваются своими участками (подробнее о рекомбина­ции — в гл. I и IV).

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 матери-

* Напомним, что локусом (лат. locus — место) называется местоположение определенного гена или маркёра (полиморфного участка ДНК) на генетической карте хромосомы. Иногда термин «локус» неоправданно используют как синоним понятия «ген». Такое применение его неточно, поскольку речь может идти о поло­жении не только гена, но и маркёра, находящегося в межгенном пространстве.

Конец страницы №76

Начало страницы №77

ала 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; одина­
   ковой 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 носи -телей аллеля, детерминирующего развитие этого признака) и постоян­ной экспрессивностью (т.е. постоянной степенью выраженности при­знака); постоянная экспрессивность подразумевает, что фенотипичес-кая 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.