Geum.ru

О. Э. Костерин общая биология курс лекций

Вид материалаКурс лекций

Содержание


А доминантен по отношению к а
Aa Lele двойной гомозиготой по рецессивным аллелям, aa lele
Подобный материал:
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   26



Итак, наша зигота может иметь 9 разных генотипов с определенными соотношениями вероятностей.

Теперь выясним, скольких фенотипов может оказаться выросшее из нее растение. Для этого нам нужно вспомнить, что аллель ^ А доминантен по отношению к а, а аллель Le – по отношению к le. Повторим тот же столбик генотипов, приписав справа фенотипы.


Генотип
Вероятность
Фенотип

AA LeLe


1/16
A Le

AA Lele
1/8
A L

AA lele
1/16
A le

Aa LeLe
1/8
A Le

Aa Lele
1/4
A Le

Aa lele
1/8
A le

aa LeLe
1/16
a Le

aa Lele
1/8
a Le

aa lele
1/16
a le


Теперь найдем одинаковые фенотипы и просуммируем их вероятности


Фенотип
Вероятность

A Le
9/16

A le
3/16

a Le
3/16

a le
1/16


Мы видим, что гибрид второго поколения (F2) может получиться четырех разных фенотипов, которые представляют все возможные комбинации родительских фенотипов в отношении признаков, определяемых нашими локусами. Им соответствуют определенные вероятности.. Это означает, что если мы возьмем много гибридов, то их экспериментально наблюдаемые частоты будут случайно колебаться вокруг этих значений вероятностей. Иными словами, на большой выборке гибридов мы получим четыре фенотипа, численные соотношения которых будут соотноситься приблизительно как 9 : 3 : 3 : 1, причем (оговариваем это снова и снова) чем больше будет выборка гибридов, тем ближе реальные численности окажутся к этим соотношениям.

Таким образом, мы с вами ознакомились с наследованием признаков, определяемых аллелями двух независимо рекомбинирующих локусов, и пронаблюдали их расщепление в поколениии F2. В генетике это принято называть дигибридным расщеплением, хотя правильнее было бы назвать его дигенным. Но так сложилось. Соответственно расщепление по одному локусу, там, где мы получили соотношение 3 : 1, называется моногибридным.

Причем опять-таки, если для случая дигибридного расщепления мы оформим вероятности фенотипов в виде таблицы, где фенотип в отношении одного гена будет находиться в столбцах, а другого – в строчках, то мы увидим наглядно, что фенотип в отношении каждого гена демонстрирует нам уже знакомое расщепление 3 : 1, а вероятности дигибридных фенотипов есть просто произведения вероятностей моногибридных.


Фенотипы
Le
Le
Сумма

A
9/16
3/16
3/4

a
3/16
1/16
1/4

Сумма
3/4
1/4
1



Давайте мы и для случая двух генов проделаем анализирующее скрещивание. Опылим двойную гетерозиготу ^ Aa Lele двойной гомозиготой по рецессивным аллелям, aa lele. Что мы получим? Легко понять, что, поскольку гомозигота дает гаметы только одного типа, в данном случае с генотипом a le, нам достаточно взять последний столбец из той таблицы, где было 16 клеточек, а именно – соответствующий этой гамете. Только вероятность у этой гаметы будет уже не 1/4, а 1 – это означает, что эта гамета может быть только такой и никакой другой. Получаем всего четыре генотипа – Aa Lele, Aa lele, aa Lele, aa lele – с равной вероятностью 1/4, которым соответствуют уже знакомые нам все четыре фенотипа A Le, A le, a Le, a le, но на этот раз – в равных соотношениях. В случае двух генов анализирующее скрещивание особенно удобно, так как получающиеся соотношения фенотипов наиболее простые, и легко видны все отклонения от них (мы еще рассмотрим, откуда они берутся).

Мендель в своих опытах по скрещиванию гороха дошел ровно досюда. Он рассматривал много признаков, в том числе именно те, что и мы с вами. Он получал гибриды первого и второго поколения и рассматривал моногибридные и дигибридные расщепления. Его работа была опубликована в 1865 г. и забыта. К самому концу XIX в. эти закономерности были независимо переоткрыты сразу тремя учеными – голландцем Гуго Де Фризом, немцем Карлом Корренсом и австрийцем Эрихом Чермаком. В 1900 г. они независимо прислали свои работы в один и тот же журнал «Труды немецкого ботанического общества». Во всех трех упоминалась работа Менделя, причем все уверяли, что ознакомились с ней уже после завершения своего труда. Тогда ученые не пытались перебежать дорогу друг другу, от приоритета не зависели их материальные блага и вообще в научном мире процветали честь и уважение друг к другу. Сейчас никто не поверил бы в такую приписку в чужой статье и, наверное, мало кто бы сделал ее в своей (причем с такой припиской работу не приняли бы в печать как неоригинальную). К тому времени были накоплены многие факты из области наследования признаков и открытие основных закономерностей витало в воздухе. Незадолго до того вышла книга Фоке «Растительные помеси», в которой 17 раз, но кратко и без понимания упоминалась работа Менделя, в результате чего все три автора узнали, что они были не первыми. Корренс назвал свою статью «Правила Г. Менделя о поведении потомства сортовых гибридов», у двух других о Менделе говорилось в примечаниях. В то же самое время аналогичные опыты велись другими учеными на самых разных объектах, в том числе и на животных, но до их публикации к тому моменту дело не дошло. Буквально уже через несколько лет стали выходить многочисленные статьи и книги о «менделизме».

Вы наверняка слышали, что принято говорить о «трех законах Менделя». Сам Мендель не формулировал никаких ёмких законов, он привел свои результаты и объяснил, что они означают и что из них следует. «Законы Менделя» пошли с легкой руки его переоткрывателей, прежде всего Корренса. Тот назвал свою вышеупомянутую статью совершенно корректно: «Правила Г. Менделя о поведении потомства сортовых гибридов»; здесь четко обрисована ситуация, для которой сформулированы эти правила, а именно для скрещнивани сортов. Однако последователи стали говорить о перечисленных там трех правилах как если бы это были универсальные законы. Возможно, это была попытка не ударить в грязь лицом перед физикой, где были законы Ньютона, Максвелла и др. Вот эти пресловутые «законы Менделя»:

1) закон единообразия гибридов первого поколения;

2) закон расщепления во втором поколении;

3) закон независимого расщепления признаков.

Закономерности наследственности логичны и легко понятны, но не стоит их загонять в прокрустово ложе трех «законов». Потому что эти «законы» применимы только к узкому классу ситуаций и далеко не ко всем генам и в качестве «законов» они представляют собой недоразумение.

Что такое «первое» и «второе» поколение? Единообразные гибриды получаются только от скрещивания гомозигот. В каком по номеру поколении бы мы их ни получили и откуда бы ни взяли вообще. В такой формулировке закон неявно предполагает, что скрещиваются «сорта» или «породы» – это, как правило, группы генетически родственных организмов, длительное время размножающихся в чистоте и имеющих многие гены в гомозиготе.

Действительно, иногда можно иметь так называемые чистые линии – такие группы одинаковых организмов, у которых практически все гены находятся в гомозиготе. Их можно получать длительным близкородственным скрещиванием. Выше вы видели, что у гетерозигот при самоопылении половина потомства всегда гомозиготна, а гомозиготы порождают только гомозиготы же. Если всем потомкам гетерозиготы дать самоопылиться и в равной степени размножиться, то в следующем поколении гетерозигот будет 1/4, в следующем – 1/8 и т. д. У животных и людей самоопыление невозможно, но его можно заменить скрещиванием брат – сестра. Расчеты вероятностей несколько усложнятся, но результат будет тот же – доля гетерозигот будет падать в геометрической прогрессии, пока не упадет настолько, что в очередном поколении у нас не окажется ни одной гетерозиготы. Это может произойти несколько раньше или несколько позже того момента, когда теоретически расчитанная их численность (вероятность, умноженная на число потомков) не станет меньше единицы. Но произойдет обязательно.

Останутся только гомозиготы. Каких типов и в каких соотношениях? Если генотип никак не влияет на выживаемость носителей, то для каждого локуса – столько типов, сколько было аллелей. Но если во всяком поколении брать только одну особь (если речь идет о самоопылении), или потомство одной особи (если в половом размножении участвуют два родителя), то у нас в конечном счете останется только один тип гомозигот. Причем это произойдет по всем вообще генам. Это и будет чистая линия.

Чистые линии хороши тем, что их потомство всегда неотличимо от родителей. Генетического расщепления нет, новым аллелям взяться неоткуда. (За исключением аллелей, возникающих за счет новых мутаций, а вы помните, что эукариотические организмы каждый несут в среднем одну совершенно новую мутацию – в одном из десятков тысяч своих генов.) Всегда знаешь, что имеешь.

А кто знает, что в чистых линиях плохого? У гороха ничего, он самоопылитель и, если его никто не скрещивает специально, он всегда – чистая линия. А у перекрестноопыляемых растений и у животных в гомозиготу могут выйти весьма неприятные аллели. Это рецессивные аллели, представляющие собой сломанные гены, т. е. гены, не выполняющие своей молекулярно-биологической функции, в чем бы она ни состояла. Обычно они не влияют на фенотип в гетерозиготе, но могут вызывать общее ослабление, какое-нибудь уродство или даже смерть в гомозиготе (аллели последнего типа называются летальными). У высших растений выражена стадия гаметофита, хоть и небольшая (три гаплоидных ядра у мужского, 6 гаплоидных и 1 диплоидное – у женского), где часть таких неполноценных аллелей, а именно тех генов, которые работают и в гаметофите, незаметно отбраковывается. У животных, включая людей, увы, отбраковываются уже получившиеся диплоидные организмы, а именно получившие плохой аллель в гомозиготу, от обоих родителей. Поскольку генов очень много, а в чистых линиях в гомозиготу выходят практически все гены, то многие из них наверняка окажутся дефектными. И по мере потери гетерозиготности создаваемая чистая линия будет все ослабевать и может вымереть совсем, за счет выхода в гомозиготу рецессивных леталей (аллелей, в гомозиготе вызывающих гибель организма).

Если каким-то образом собрать в чистую линию только полноценные аллели, можно получить «хорошую» чистую линию. Иногда такое получается случайно. Похоже, египетские фараоны, женившиеся строго на сестрах, представляли собой почти чистую линию, причем, судя по изображениям и мумиям, это были красивые и вполне полноценные люди.

Но фараоны Египта были крайне редким исключением. Практически во всех обществах существует запрет на близкородственные браки. И чем примитивнее общество, тем сложнее правила выбора невесты, так что зачастую молодые люди не вступают в брак просто потому, что в нужном подразделении нужного рода просто нет девушки подходящего возраста. Вряд ли такие неоправданно переусложненные правила основаны на выводах из наблюдений о слабости потомства от близкородственных браков. В примитивных обществах всегда очень много сложных и с нашей точки зрения нелепых правил и ритуалов, не приносящих никакой объективной пользы. Вопрос: почему так получается – выходит за рамки биологии (да и другие науки не очень-то на него отвечают – хотя вашей будущей науке, психологии, и следовало бы). Скорее всего брачные правила возникали наряду с прочими странными правилами. Однако выживали именно те общества, где близкородственные браки оказывались запрещенными. Когда люди жили маленькими изолированными деревнями, они особенно опасны. Таким образом, брачные правила вероятнее всего получили всеобщее распространение вследствие своего рода естественного отбора культур.

Кстати, здесь уместно подумать о том, что на генетическом уровне означает «близкие родственники». В качестве мерила генетической близости двух индивидуумов удобно выбрать долю аллелей, общих по происхожденгию, по всем локусам генома – она называется «коэффициент родства» и обычно обозначается r. Пусть у отца и матери нет ни одного одинакового аллеля во всех локусах генома, т. е. каждый родитель гетерозиготен по каждому локусу и ни один аллель одного родителя не тождествен ни одному аллелю другого, то есть все аллели уникальны. Эта ситуация для реальных людей практически невозможна, но удобна для нашего умозрительного рассмотрения. Каждый из их детей получает по одному аллелю каждого локуса от отца и от матери. Таким образом, у каждого ребенка ровно половина аллелей – общие с отцом, и ровно половина – общие с матерью, т. е. коэффициент родства детей и родителей составляет 1/2. А насколько близки друг к другу братья и / или сестры? В генетике употребляется понятие сиб, что означает «брат либо сестра». Каждый из сибов получает половину аллелей от одного и того же отца и половину аллелей от одной и той же матери. Но какую именно половину? В мейозе аллели каждого локуса попадают в ту или иную гамету совершенно случайно. Поэтому гаметы, дающие начало разным сибам, несут случайную половину аллелей родителей. А это значит, что каждый локус гаплоидного генома двух гамет одного родителя может с равной вероятностью нести одни и те же или разные аллели. Это значит, что из половины аллелей, получаемых каждым из двух сибов от одного родителя, половина (т. е. всего одна четверть всех его аллелей) будут идентичными аллелями, а половина (также всего одна четверть аллелей) – разными. То же самое происходит и с аллелями, получаемыми от второго родителя. Любые два сиба получают одну четверть идентичных аллелей от одного родителя и одну четверть идентичных аллелей от второго родителя, т. е. в сумме половина их аллелей будет идентична. Таким образом, коэффициент родства между братьями и / или сестрами также равняется 1/2. Только если в случае родителей и детей это соотношение строгое, то в случае сибов – вероятностное.

Легко убедиться, что генетическая близость между дедами / бабками и внуками / внучками, между дядями / тетями и племянницами / племянниками, между сводными братьями / сестрами составляет 1/4, между между двоюродными братьями / сестрами 1/8. А еще легче для выяснение доли общих по происхождению аллелей у двух родственников воспользоваться следующим алгоритмом. «Начнем с себя» – у каждого из нас все аллели общие с самим собой, поэтому при сравнении индивидуума с самим собой r=1. При сравнении двух субъектов коэффициент родства r складывается из компонент, представляющих родство через каждого их общего предка. Нужно подсчитать число звеньев родословной, n, связывающей двух сравниваемых субъектов через каждого их общего предка. Величину r можно получить по формуле r= (1/2)n1 + (1/2)n2 ... , где n1, n2 ... – длины родословной для каждого общего предка. Поясним на простых примерах. Два брата имеют двух общих предков – отца и мать, и отделены друг от друга двумя звеньями родословной через каждого из них (звено от одного брата к матери плюс звено от матери до другого брата, звено от одного брата к отцу плюс звено от отца к другому брату). Значит, r = (1/2)2 + (1/2)2 = 1/4 + 1/4 = 1/2, что мы и получили выше. А каково значение r между отцом и сыном? Сын связан с отцом одним звеном родословной, но сколько же у них общих предков? Один – это сам же отец и есть. Один общий предок и одно звено родословной дает по формуле уже знакомый нам результат 1/2 .

Напомним, что эти цифры мы получали из допущения, что все аллели родителей – разные. У реальных людей многие аллели находятся в гомозиготе и многие аллели разных людей совпадают. Поэтому истинные значения генетической близости между родственниками гораздо выше, а мы с вами сейчас фактически нашли их нижние пределы. Но соотношения генетической близости при разной степени родства сохраняются. Глядя на своих родственников и имея в виду степень родства и генетической близости, мы получаем богатую пищу для размышлений о влиянии наследственной информации на свойства живых организмов.

Поскольку у нас с вами не будет времени на популяционную генетику, расскажем здесь о явлении, прямо противоположном чистой линии – о панмиктической популяции. Вообще, популяцией называют некое множество особей и их потомков, между которыми возможен обмен генами за счет полового размножения. Обычно популяции нечетко отграничены друг от друга. Возьмем бабочку хвостатку березовую. На самом деле ее гусеницы развиваются на черемухе (название «березовая» ей было дано случайно, но раз данное, оно и осталось, по правилам зоологической номенклатуры). Черемуха растет во влажных местах, к примеру, по берегам рек. Бабочки в долине одной реки могут свободно спариваться друг с другом. Но вряд ли могут пролететь очень большое расстояние. Поэтому вероятность спаривания двух бабочек тем больше, чем ближе они находятся друг к другу, а бабочки из верховий и низовий никогда не встретятся. Тем не менее, обмену генов в одной долине как процессу, включающему много поколений, ничто не препятствует. Все хвостатки березовые одной долины будут представлять одну популяцию. Но черемуха растет и в сырых местах в лесу. Там тоже могут быть небольшие популяции хвостатки. А еще бабочки могут перелетать от леска к леску, и так либо индивидуальные бабочки, либо их гены за несколько поколений могут путешествовать из одной долины в другую. Так что все популяции хвостатки березовой умеренной зоны Евразии оказываются не до конца отделенными друг от друга.

Панмиктическая популяция – это идеальная популяция. Она полностью отграничена от внешнего мира, а любые две особи разного пола имеют в ней равную вероятность скреститься. Практически идеальную панмиктическую популяцию можно устроить для мушки дрозофилы в таком специальном «популяционном ящике» – ящике, где есть питательная среда для личинок и где мухи живут и размножаются. В идеальной популяции, где все имеют равные шансы на размножение, аллели сохраняются приблизительно в том численном соотношении, в каком они имелись у ее основателей, однако эти соотношения подвержены случайным колебаниям, которые тем меньше, чем больше численность популяции. С первого же поколения после образования идеальной популяции численные соотношения между гетерозиготами и гомозиготами разных типов начинают флуктуировать вокруг так называемых равновесных частот. Для случая двух аллелей – обозначим их x1 и x2 (хочется, чтобы вы привыкли, что аллели обозначаются по разному) равновесные частоты генотипов можно вычислить из так называемого соотношения Харди – Вайнберга (давайте не будем углубляться в их математический вывод). Пусть p – частота аллеля x1 в популяции. Она равна удвоенному количеству гомозигот x1x1 плюс количество гетерозигот x1 x2, деленному на удвоенное общее число особей (т. е. мы считаем не особи, а имеющиеся у них аллели, которых вдвое больше, чем имеется диплоидных особей, причем нужных аллелей имеется по две у каждой гомозиготы и по одной у каждой гетерозиготы). Легко понять, что частота аллеля x2 будет равна 1-p.


Соотношения Харди – Вайнберга представлены в таблице:


Генотипы
x1 x1
x1 x2
x2 x2

Равновесные
частоты
p2
2p(1 – p)
(1 – p)2