Тема: Наследственность. Закономерности наследования признаков, установленные Г. Менделем. Фенотип. Значение генетических факторов в формировании фенотипа.

Лекция № 10 (7)

           План лекции     

1. Генетика как наука. Типы наследования признаков.

2. Закономерности наследования при моногибридном и полигибридном скрещиваниях.

3. Типы взаимодействия аллельных генов

4. Геномная антисипация и геномный импритинг

5. Гены-модификаторы

6. Пенетрантность и эксперссивность.

7. Модификации. Норма реакции

           Генетика– наука о законах наследственности и изменчивостиживых организмов.. Термин «генетика» ввел в биологию У.Бэтсон в 1906г. Генетика – наука о наследственности и изменчивости

Основные методыгенетических исследований подразделяются на:

• Изучение наследования признаков.

• Цитогенетический анализ

• Молекулярно-генетический анализ

• Изучение генетической структуры популяций.

Различают фундаментальную и прикладную генетику.

Фундаментальная генетика исследует основополагающие вопросы науки; прикладная генетика решает вопросы, связанные с качеством жизни человеческого общества в целом.Из общей генетики выделяют генетику человека, генетику животных, генетику растений, генетику бактерий. Разделами общей генетики являются: молекулярная генетика, цитогенетика, популяционная генетика и другие. Важным разделом генетики человека является медицинская генетика. Основные законы наследственности были открыты Г.Менделем (1822-1884). Г.Мендель проводил опыты на растениях гороха. За 8 лет работы он изучил около 20 000 этих растений. Для исследований Менделя горох оказался наиболее подходящим растением: у него было много потомков (семян), он был самоопыляющимся и имел резко выраженные признаки (например, цвет или поверхность горошин). Основные принципы гибридологического метода:

1. Использование чистых линий

2. Анализ контрастных (альтернативных) признаков

3. Индивидуальный анализ потомства от каждой пары родительских особей

4. Точный количественный учет всех анализируемых форм.

           Типы наследования признаков

 Наследование- процесс передачи признака

Моногенное   (за признак отвечает один ген)                           

Полигенное    (за признак отвечают несколько генов)

Аутосомное Сцепленное с половыми хромосомами

Доминантное Рецессивное Х-сцепленное Y-сцепленное

           Г.Мендель использовал в работе гибридологический метод:

 подбирал пары растений для скрещивания, анализировал наследование отдельных признаков у потомков нескольких поколениях и проводил их точный количественный учет. Результаты опытов были изложены в работе «Опыты над растительными гибридами» (1865 год). .Мендель начинал скрещивание растений гороха, которые отличались одним признаком – горошины (семена) желтые и горошины зеленые. Такие признаки называют альтернативными (два состояния одного признака). Они определяются аллельными генами, которые расположены в одинаковых локусах гомологичных хромосом.

           В настоящее время для записи приняты условные обозначения.

           Р АА х аа Р (parentes) – родители

           G A a G (gametes) – гаметы

           F1 Aa F (fillies) – потомки

           P (F1) Aa x Aa На первом месте всегда записывается генотип

           женского организма

           G A a A a Р (F1) – родительскими являются

           F2 AA, Aa, Aa, aa гибриды первого поколения

            Заглавные буквы обозначают доминантные гены, прописные – рецессивные. Доминантными называются признаки, которые проявляются в гомозиготном и гетерозиготном состоянии. Рецессивные признаки проявляются только в гомозиготном состоянии. Если в генотипе содержатся одинаковые аллельные гены, то такая особь называется гомозиготной, или чистой линией. У нее образуется один тип гамет и при скрещивании с такой же по генотипу особью не происходит расщепления. При скрещивании двух гомозиготных особей (по доминантному и рецессивному признакам) в потомстве будут особи Аа. Они называются гетерозиготными, так как содержат два разных гена одной аллели. При скрещивании между собой они дают расщепление по фенотипу: 3 части горошин желтого цвета и 1 часть горошин зеленого цвета.Скрещивание, при котором анализируется одна пара альтернативных признаков, называется моногибридным, если две пары признаков – дигибридным, если более двух пар – скрещивание называется полигибридным.  

По результатам моногибридного скрещивания сформулированы два закона Менделя. Первый закон – закон единообразия гибридов первого поколения: при скрещивании гомозиготных особей, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, наблюдается единообразие гибридов по фенотипу и генотипу.

 Второй закон – закон расщепления признаков у гибридов второго поколения: при скрещивании между собой гибридов первого поколения, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу в отношении 3:1 (3 части особей с доминантным признаком, 1 часть особей с рецессивным признаком), по генотипу 1:2:1 (1 часть особей – доминантные гомозиготы (АА), 2 части особей – гетерозиготы (Аа), 1 часть особей – рецессивные гомозиготы (аа)).

При дигибридном скрещивании, когда растения отличались по двум парам альтернативных признаков, Мендель получил следующие результаты.

            Всего получается 16 комбинаций: 9 частей А-В-: 3 части А-bb: 3 части ааВ-: 1 часть ааbb. Такая схема записи называется фенотипическим радикалом (запись генотипа на основе фенотипа). Запись А-В- или А-bb означает, что фенотип не зависит от того, какой ген будет на месте черточки – доминантный или рецессивный – проявляться будет доминантный признак. Если подсчитать отдельно соотношение по парам признаков 12А-: 4аа, 12B-: 4bb – в обоих случаях мы получим соотношение 3:1. . На основе полученных результатов можно сделать вывод, что при скрещивании гетерозиготных особей, которые анализируются по нескольким парам альтернативных признаков, в потомстве наблюдается расщепление по фенотипу в отношении (3+1)n, где n – число признаков в гетерозиготном состоянии.

 Третий закон Менделя – закон независимого наследования признаков: при скрещивании гомозиготных особей, анализируемых по нескольким парам альтернативных признаков, во втором поколении наблюдается независимое наследование признаков и соответствующих им генов.

 Для объяснения результатов скрещиваний, проведенных Менделем, в 1902г. У.Бэтсон предложил гипотезу чистоты гамет: у гибрида гены не гибридизируются и находятся в чистом аллельном состоянии.

Цитологическими основами законов Менделя является механизм мейоза.

Гомологичные хромосомы при мейозе расходятся, поэтому в гамету попадает один ген из аллельной пары.

           Значение законов Менделя:

 Законы универсальны, они применимы для всех живых организмов.

 Г.Мендель ввел в биологию математический метод. Его законы имеют статистический характер, это законы больших чисел.

           Ряд факторов вызывают ограничения проявления законов Менделя.

           1. Нарушение равной вероятности образования гамет и зигот разных типов.

           2. Различная выживаемость особей разных фенотипов (наличие летальных и полулетальных генов). Летальные гены вызывают гибель организмов до рождения или в момент рождения. Полулетальные гены сокращают срок жизни организма.

           3. Взаимодействие генов (кроме полного доминирования).

           4. Сцепление генов.

           5. Цитоплазматическая наследственность.

           Пример действия летального гена. Доминантный ген А детерминирует серый цвет шерсти у овец, а в гомозиготном состоянии он оказывает летальное действие (из-за недоразвития желудка у ягнят). погибают Рецессивный ген а детерминирует черный цвет шерсти. Вместо ожидаемого соотношения 3:1 получаем соотношение 2:1 по фенотипу и генотипу.

           Внутриаллельные взаимодействия генов

           1. Полное доминирование: окраска горошин, карие и голубые глаза у человека, прямые и вьющиеся волосы, 5 и 6 пальцев на руке и другие признаки. Их называют менделирующими – расщепление подчиняется законам Менделя.

           2. Неполное доминирование, или промежуточное наследование.

           3. Сверхдоминирование: в результате взаимодействия продуктов генной активности действие гена в гетерозиготном состоянии проявляется сильнее, чем в гомозиготном. Например, у мух дрозофил: летальный ген является рецессивным, и гомозиготы по этому гену погибают; жизнеспособность у гетерозигот больше и они более плодовиты, чем гомозиготные особи по доминантному гену.

           4. Кодоминирование. Примером являются группы крови по системе АВ0: 2 аллельных гена равнозначны по отношению друг к другу, но находясь вместе в генотипе вызывают появление нового признака – оба проявляют свое действие (IV-я группа крови). Аллели гена I – I0, IA, I B. Наличие в генотипе гена I0 не вызывает синтез антигенов в эритроцитах (I группа). Гены IA и IB доминантны по отношению к гену I0. Встречаясь в генотипе в гомо- (IAIA; IBIB) или в гетерозиготном (IAI0;IBI0) состоянии они вызывают синтез антигенов или А или В в эритроцитах. A – II группа; B – III группа крови. Если же они находятся в генотипе вместе, то в эритроцитах синтезируются оба вида антигенов – А и В – IV(AB) группа крови.

           5. Аллельное исключение: у гетерозиготного организма в разных клетках активны разные аллели одного гена. Пример: у человека и млекопитающих каждая плазматическая клетка синтезирует свою цепь иммуноглобулинов (антител).

           Межаллельные взаимодействия генов

           Межаллельные взаимодействия – это взаимодействия неаллельных генов, генов разных аллелей: комплементарность, эпистаз, полимерия, эффект

           положения.

 1. Комплементарность – это взаимодействие, при котором ген одной аллели дополняет действие гена другой аллели. Окраску цветков у растения душистый горошек определяет сочетание доминантных генов аллели А и аллели В. Отсутствие в генотипе одного или двух доминантных генов детерминирует образование белых цветков.

 Получаемое расщепление при скрещивании дигетерозиготных особей - 9 : 3 : 3 : 1, 9:7.

 2. Эпистаз – взаимодействие, при котором доминантный (рецессивный) ген одной аллели подавляет проявление действия гена другой аллели. Ген подавляющий называется эпистатичным (ингибитором, или супрессором); ген подавляемый называется гипостатичным.         Получаемое расщепление по фенотипу: 13 : 3

 3. Полимерия – несколько неаллельных генов, усиливают фенотипическое проявление одного признака. Так наследуются некоторые количественные и качественные признаки у человека: масса тела, рост, пигментация кожи, величина артериального давления. Обычно полимерные гены обозначают одинаковыми буквами, но с разными цифровыми индексами. Чем больше в генотипе доминантных генов, тем сильнее выражен признак. Это называется аддитивным действием – суммированием действия гена. Минимальное количество полигенов, при котором проявляется их действие, называется пороговым эффектом.

 4. «Эффект положения» – это взаимное влияние генов разных аллелей соседних локусов одной хромосомы. Оно проявляется изменением их функциональной активности.

Проявление признаков в фенотипе зависит от возраста и от происхождения хромосомы.

Существуют генетические болезни, симптомы которых проявляются в раннем возрасте и усиливаются в каждом следующем поколении (миотоническая (мышечная) дистрофия у взрослых). Это явление называют генетической антисипацией (опережение).

Отдельные участки хромосом у некоторых видов обладают импринтингом (памятью) своего происхождения от одного из родителей и это влияет на экспрессию генов (инактивация одной из Х-хромосом у самок млекопитающих). Это явление называют геномным или родительским импринтингом. (У человека синдром Прадера-Вилли – синдром Ангельмана)

Наряду с генами «основного действия» на развитие любого признака оказывают влияние и другие гены, как правило не имеющие собственного проявления. Энхансеры усисливают, а супрессоры ослабляют проявление основных генов. Гены-модификаторы обладают следующими свойствами:

•         Могут быть локализованы в той же хромосоме, что и основной ген, либо в другой хромосоме.

•         Могут оказывать плейотропный эффект на такие количественные признаки, как жизнеспособность и плодовитость

•         Один и тот же ген-модификатор может ослаблять действие одних и усиливать действие других генов.

Сложность взаимоотношений между генами и контролируемыми ими признаками иллюстрируют два известных факта: существование гетерогенных групп и плейотропия.

Гетерогенные группы – группа генов, дающих сходный фенотип, но локализованных в разных хромосомах или разных локусах. (наследование мутации дрозофилы – minute)

Плейотропия – множество проявления отдельных мутаций, нередко на разных частях тела: одна причина – несколько эффектов (синдром Марфана)

Показателями частоты и степени фенотипического проявления генов являются пенетрантность и экспрессивность.

Пенетрантность - частота фенотипического проявления гена, выражаемая в % особей, у которых признак проявляется в фенотипе по отношению ко всем носителям данного гена. Экспрессивность - степень фенотипического проявления гена, или степень выраженности признака.

Ненаследственные изменения фенотипа называют модификациями.Соответственно, ненаследуемую изменчивость называют модификационной. Наследственная способность к изменению фенотипа в определенных пределах при изменении условий жизни называется нормой реакции.