Материал: Закономерности независимого моногенного наследования (законы Г. Менделя). Типы моногенного наследования: аутосомно-рецессивное и аутосомно-доминантное. Условия менделирования признаков. Менделирующие признаки человека

В 1900 г. Законы Менделя были вторично открыты почти одновременно тремя учеными - Г. Де Фризом, К. Корренсом и Э. Чермаком, которые оценили их должным образом. К. Корренс и Э. Чермак еще раз продемонстрировали справедливость менделевских закономерностей для гороха, а Г. Де Фриз подтвердил это сразу для 16 видов растений.

Вскоре У. Бэтсоном было доказано, что те же законы наследования справедливы и для животных.

В 1902 г. У. Бэтсон ввел понятия «гомозиготность» и «гетерозиготность». Немного позднее он дополнил законы Менделя правилом чистоты гамет - каждая половая клетка (гамета) несет только один аллель из пары, присутствующей у диплоидной родительской особи.

В 1909 г. Иогансен заменил термин фактор (элемент), означавший основную единицу наследственности, термином ген. Также им были введены понятия «генотип» (совокупность генов), «фенотип» (совокупность признаков организма) и «аллель» (альтернативные формы гена, определяющие его проявление в фенотипе). Он же предложил термин «чистая линия» для организмов с практически одинаковым генотипом, полученных путем близкородственного скрещивания (инбридинга).

закон наследственность мендель ген

1.2    Законы наследования признаков

1.2.1 Наблюдения Менделя

Усовершенствование гибридиологического метода позволило Г. Менделю выявить ряд важнейших закономерностей наследования признаков у гороха, которые, как оказалось впоследствии, справедливы для всех диплоидных организмов, размножающихся половым путем.

Описывая результаты скрещиваний, сам Мендель не интерпретировал установленные им факты как некие законы. Но после их переоткрытия и подтверждения на растительных и животных объектах, эти повторяющиеся при определенных условиях явления стали называть законами наследования признаков у гибридов.

Некоторые исследователи выделяют не три, а два закона Менделя. При этом некоторые ученые объединяют первый и второй законы, считая, что первый закон является частью второго и описывает генотипы и фенотипы потомков первого поколения (F1). 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 о трех законах Менделя.

Крупная научная удача Менделя состояла в том, что выбранные им семь признаков определялись генами на разных хромосомах, что исключало возможное сцепленное наследование. Он обнаружил, что:

) У гибридов первого поколения присутствует признак только одной родительской формы, а другой «исчезает». Это закон единообразия гибридов первого поколения.

) Во втором поколении наблюдается расщепление: три четверти потомков имеют признак гибридов первого поколения, а четверть - «исчезнувший» в первом поколении признак. Это закон расщепления.

) Каждая пара признаков наследуется независимо от другой пары. Это закон независимого наследования.

Разумеется, Мендель не знал, что эти положения со временем назовут первым, вторым и третьим законами Менделя.

1.2.2 Современная формулировка законов

.2.2.1 Первый закон Менделя

Закон единообразия гибридов первого поколения - при скрещивании двух гомозиготных организмов, относящихся к разным чистым линиям и отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных проявлений признака, всё первое поколение гибридов (F1) окажется единообразным и будет нести проявление признака одного из родителей.

Этот закон также известен как «закон доминирования признаков». Его формулировка основывается на понятии чистой линии <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%8F_%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D1%8F> относительно исследуемого признака - на современном языке это означает гомозиготность <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B7%D0%B8%D0%B3%D0%BE%D1%82%D0%B0> особей по этому признаку.

1.2.2.2 Второй закон Менделя

Закон расщепления - при скрещивании двух гетерозиготных потомков первого поколения между собой во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом отношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1.

Явление, при котором скрещивание гетерозиготных <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B7%D0%B8%D0%B3%D0%BE%D1%82%D0%B0> особей приводит к образованию потомства, часть которого несёт доминантный признак, а часть - рецессивный, называется расщеплением. Следовательно, расщепление - это распределение (рекомбинация) доминантных и рецессивных признаков среди потомства в определённом числовом соотношении. Рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчезает, а только подавляется и проявляется во втором гибридном поколении.

Расщепление потомства при скрещивании гетерозиготных особей объясняется тем, что гаметы генетически чисты, то есть несут только один ген <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BD> из аллельной пары. Закон чистоты гамет можно сформулировать следующим образом: при образовании половых клеток в каждую гамету попадает только один аллель из пары аллелей данного гена. Цитологическая основа расщепления признаков - расхождение гомологичных хромосом и образование гаплоидных половых клеток в мейозе <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D0%B9%D0%BE%D0%B7> (рис.4).

Рис.4. Хромосомная основа закона расщепления Менделя.

Пример иллюстрирует скрещивание растений с гладкими и морщинистыми семенами. Изображены только две пары хромосом, в одной из этих пар находится ген, ответственный за форму семян. У растений с гладкими семенами мейоз приводит к образованию гамет с аллелем гладкости (R), а у растений с морщинистыми семенами - гамет с аллелем морщинистости (r). Гибриды первого поколения F1 имеют одну хромосому с аллелем гладкости и одну - с аллелем морщинистости. Мейоз в F1 приводит к образованию в равном числе гамет с R и с r. Случайное попарное объединение этих гамет при оплодотворении приводит в поколении F2 к появлению особей с гладкими и морщинистыми горошинами в отношении 3:1.

1.2.2.3 Третий закон Менделя

Закон независимого наследования - при скрещивании двух особей, отличающихся друг от друга по двум (и более) парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях (как и при моногибридном скрещивании).

Менделеевский закон независимого наследования можно объяснить перемещением хромосом во время мейоза (рис.5). При образовании гамет распределение между ними аллелей из данной пары гомологичных хромосом происходит независимо от распределения аллелей из других пар. Именно случайное расположение гомологичных хромосом на экваторе веретена в метафазе I мейоза и их последующее расположение в анафазе I ведет к разнообразию рекомбинаций аллелей в гаметах. Число возможных сочетаний аллелей в мужских или женских гаметах можно определить по общей формуле 2n , где n - гаплоидное число хромосом. У человека n=23, а возможное число различных сочетаний составляет 223=8 388 608.

Рис.5. Объяснение менделевского закона независимого распределения факторов (аллелей) R, r, Y, y как результата независимого расхождения разных пар гомологичных хромосом в мейозе. Скрещивание растений, отличающихся по форме и цвету семян (гладкие желтые × зеленые морщинистые), дает гибридные растения, у которых в хромосомах одной гомологичной пары содержатся аллели R и r, а другой гомологичной пары - аллели Y и y. В метафазе I мейоза хромосомы, полученные от каждого из родителей, могут с равной вероятностью отходить либо к одному и тому же полюсу веретена (левый рисунок), либо к разным (правый рисунок). В первом случае возникают гаметы, содержащие те же комбинации генов (YR и yr), что и у родителей, во втором случае - альтернативные сочетания генов (Yr и yR). В результате с вероятностью 1/4образуются четыре типа гамет, случайная комбинация этих типов приводит к расщеплению потомства 9:3:3:1, как это и наблюдалось Менделем.

.       
ТИПЫ МОНОГЕННОГО НАСЛЕДОВАНИЯ

При появлении потомка, несущего признак, которого не было ни у родителей, ни у других изученных предков, возникает ряд вопросов: наследственный ли это признак, является ли он проявлением новой доминантной мутации или результатом гетерозиготности родителей по рецессивной мутации? Для ответа на эти вопросы необходимо проанализировать результаты реципрокных (F1 и F2), возвратных и анализирующего скрещиваний. Если в одном скрещивании самки имеют признак А, а самцы - а, а в другом наоборот: самки несут признак а, а самцы- А, то эти скрещивания называются реципрокными. Одно из них - прямое, другое - обратное. Возвратными называют скрещивания гибридов первого поколения (F1) с родительскими формами. Одно из них, в котором участвовал родительский организм с признаками, не появившимися в первом поколении, использовал Мендель для изучения состава гамет гибридов. Это скрещивание в дальнейшем получило название анализирующего.

У некоторых видов животных, например, крупных млекопитающих, сельскохозяйственных животных, а также у человека, постановка экспериментальных скрещиваний невозможна. В таких случаях составляются родословные, в которых прослеживается наследование признака в нескольких поколениях.

2.1    Аутосомно-доминантное наследование

При аутосомно-доминантном типе наследования при скрещивании гомозиготных альтернативных особей признак проявляется в каждом поколении вне зависимости от пола (без «проскока») у всех потомков в F1 и в 75% случаев - в F2. Особи с доминантным признаком могут быть как гомозиготными (АА), так и гетерозиготными (Аа) носителями доминантного аллеля. Для того чтобы это выяснить, необходимо провести анализирующее скрещивание такой особи с рецессивной гомозиготой. Если исследуемая особь является доминантной гомозиготой, то все потомки от этого скрещивания будут иметь доминантный признак, и при этом будут гетерозиготами (Аа). Во втором случае в потомстве с равной вероятностью будут наблюдаться особи как с доминантным (Аа), так и с рецессивным (аа) признаком.

Ниже приведена схема прямого и обратного скрещиваний мутантных W/W и нормальных +/+ мух. Гену принято давать полное название, состоящее из одного или нескольких английских слов, отражающих его основное фенотипическое проявление, и символ. Символ гена начинается с той же буквы, что и полное название. Например, у дрозофилы ген Wrinkled, обозначаемый символом W, определяет развитие доминантного признака «нерасплавленные, сморщенные крылья». Нормальные аллели, контролирующие развитие признаков дикого типа, обозначают знаком +. Наклонная черта обозначает гомологичные хромосомы.

Как видно из схемы, мутантный признак Wrinkled проявляется в гетерозиготном состоянии у гибридов первого поколения. В первом и втором поколении признак проявляется вне зависимости от пола, и соотношение фенотипов одинаково в прямом и обратном скрещиваниях. Сходство результатов прямого и обратного скрещиваний свидетельствует об аутосомном типе наследования. Таким образом, Wrinkled - доминантный признак, развитие которого определяется аутосомным геном.

На рис. 6 приведена родословная, иллюстрирующая наследование извитости шерстяного покрова у айрширской породы крупного рогатого скота:

Рис.6. Наследование извитой шерсти у айрширской породы крупного рогатого скота. Квадратами обозначены особи мужского пола, кружками - особи женского пола, римские цифры указывают номера поколений. Черные кружки и квадраты - животные с извитой шерстью.

Из родословной видно, что признак присутствует в каждом поколении и его проявление не зависит от пола, что является свидетельством аутосомно-доминантного типа.

Примеры аутосомно-доминантного наследования у человека приведены в таблице 4.

В некоторых случаях аутосомно-доминантное заболевание присутствует у одного из родителей больного. При этом вне зависимости от пола вероятность проявления признака в потомстве гетерозиготного носителя доминантной мутации составляет 50%, а гомозиготного - 100%. Но чаще всего (до 90% случаев) доминантные заболевания являются результатом мутации de novo. В этом случае они выглядят как спорадические заболевания.

2.2    Аутосомно-рецессивное наследование

При аутосомно-рецессивном типе наследования признак у гибридов первого поколения будет отсутствовать, однако в F2 вероятность рождения особей с рецессивным признаком составит 25% вне зависимости от их пола. При проведении анализирующего скрещивания рецессивный признак, также как и доминантный, будет наблюдаться у половины потомков. Особи с рецессивным признаком являются гомозиготными носителями рецессивного аллеля (аа). Чаще всего они появляются в потомстве гетерозиготных родителей, которые сами не имеют рецессивного признака, но являются гетерозиготными носителями мутации. Таких родителей называют облигатными гетерозиготами. Вероятность рождения больного ребенка у облигатных гетерозигот по закону Менделя составляет 25%. Если речь идет об аутосомно-рецессивном заболевании, то родители больного ребенка, как правило, здоровы, но они могут иметь нескольких больных детей. Дети с аутосомно-рецессивным заболеванием часто рождаются в родственных бракам, причем вероятность рождения больного ребенка возрастает с увеличением степени родства между родителями. Аутосомно-рецессивные мутации могут накапливаться в популяции, так как гетерозиготные носители не подвержены давлению отбора. Если родители больного ребенка не состоят в родстве, то чаще всего они несут разные мутации в одном и том же гене, а их больные дети наследуют каждую из этих мутаций, то есть являются компаунд-гетерозиготами. Аутосомно-рецессивный тип наследования характерен для большинства наследственных ферментопатий.

По аутомосно-рецессивному типу наследуется отсутствие шерсти у телят гернсейской породы (рис.7):

Рис.7. Наследование отсутствия шерстяного покрова у гернсейской породы крупного рогатого скота. Точки внутри кружков и квадратов указывают на предполагаемое гетерозиготное носительство мутантного гена, животные в каждом поколении пронумерованы арабскими цифрами слева направо.

На родословной, представленной на рис.7, видно, что IV.3 и V.1 имеют общего отца III.3. кровнородственное скрещивание увеличило вероятность передачи общего мутантного гена от I.3 к потомкам в четвертом и пятом поколениях. В них родились бесшерстные телята как мужского, так и женского пола от здоровых родителей, что возможно только при аутосомно-рецессивном типе наследования мутантного признака.

Примеры аутосомно-рецессивного наследования у человека приведены в таблице 4.

Таблица 4. Наследование признаков у человека по принципу полного доминирования.