Мейоз и его генетическая сущность

Цитологические основы закона независимого наследования признаков.

Как известно, в профазе I мейоза гомологичные хромосомы конъюгируют, а в анафазе одна из гомологичных хромосом отходит к одному полюсу клетки, другая – к другому. При расхождении к разным полюсам негомологичные хромосомы комбинируются свободно и независимо друг от друга. При оплодотворении в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом, и гомологичные хромосомы, находящиеся в разных половых клетках родителей, соединяются.

Предположим, что каждая хромосома содержит только один ген. Палочковидные хромосомы несут аллель А или а, сферические – В или в, т.е. эти две пары аллелей находятся в негомологичных хромосомах .

Гомозиготные родители  формируют только один тип гамет (G) с доминантными (АВ) или рецессивными (ав) аллелями. При слиянии гамет образуется единообразное первое поколение гибридов. Этот гибрид дигетерозиготен  , но так как у него присутствуют гены А и В, то по фенотипу он сходен с одним из родителей.

При мейозе у гибридных организмов из каждой пары гомологичных хромосом к полюсам отходит по одной хромосоме. При этом по причине случайности расхождения отцовских и материнских хромосом ген А может попасть в одну гамету с геном В или с геном в. Точно так же ген а может оказаться в одной гамете с геном В или с геном в. Поэтому гибриды образуют четыре типа гамет: АВ, Ав, аВ и ав. Образование каждого из них равновероятно, т.е. все эти типы гамет образуются в равных количествах. Свободное  сочетание таких гамет в процессах оплодотворения заканчивается образованием 16 возможных вариантов зигот, а значит, и потомков .

Потомки подразделяются на четыре фенотипических класса: доминантные по обоим признакам  - 9 частей, доминантные по первому и рецессивные по второму признаку - 3, рецессивные по первому и доминантные по второму - 3, рецессивные по обоим признакам - 1 часть. Используя  фенотипический  радикал  А-, где вместо черточки может быть как доминантный, так и рецессивный ген (фенотип особи в обоих случаях будет одинаков), расщепление по фенотипу при дигибридном скрещивании можно представить следующим образом: 9А-В- : ЗА-вв : 3 ааВ- : 1aaвв. Генотипических классов будет девять: 1ААВВ, 2ААВв, 1AAвв, 2Aaвв, 4AaBв, 2AaBB, 1aaBB, 2ааВв, laaвв.

7. Аллельные гены, механизм возникновения, особенности  наследования, типы наследования. Множественные  аллели

Множественный аллелизм - это существование в популяции более двух аллелей данного гена. В популяции оказываются не два аллельных гена, а несколько.

Множественный аллелизм для генов, контролирующих системы несовместимости, выступает как фактор отбора, препятствующий образованию зигот и организмов определенных зигот. Примером множественного  аллелизма  является  серия   множественных аллелей s1, s2, s3, обеспечивающих самостерильность многих растений. Двенадцать различных состояний одного локуса у дрозофилы, обусловливающих разнообразие  окраски глаз (w- белые, we-  эозиновые, wa -  абрикосовые, wch - вишневые, wm- пятнистые и т. д.); серия множественных аллелей окраски  шерсти у кроликов («сплошная», гималайская, альбинос и т. д.); аллели IA, Iв, I°, определяющие  группы крови у человека, и т. д. Серия множественных аллелей - результат мутирования одного гена.

Обусловленность признака серий множественных аллелей не меняет соотношения фенотипов в гибридном потомстве. Во всех случаях в генотипе присутствует только одна пара аллелей, их взаимодействие и определяет развитие признака.

Явление множественного аллелизма определяет фенотипическую гетерогенность человеческих популяций, это одна из основ разнообразия генофонда человека.  В  основе этой множественности лежат генные мутации, изменяющие последовательность азотистых оснований молекулы ДНК в участке, соответствующем данному гену. Эти мутации могут быть нейтральными, полезными, или вредными. Последние являются причиной наследственных патологий, связанных с множественным аллелизмом. Например, известна мутация, изменяющая структуру одной из цепей белка гемоглобина за счет того, что код глутаминовой кислоты в концевом участке гена трансформируется в код аминокислоты валин. Эта замена становится причиной возникновения наследственной патологии - серповидноклеточной анемии. Явление сверхдоминирования связано с тем, что в ряде случаев доминантные  гены  в  гетерозиготном  состоянии  проявляются   сильнее, чем в гомозиготном. Это понятие коррелирует с эффектом гетерозиса и связано с такими сложными признаками, как жизнеспособность, общая продолжительность жизни и др. Таким образом, у человека, как и у остальных эукариот, известны все типы взаимодействия аллельных генов и большое количество менделирующих признаков, определяемых этими взаимодействиями. 
         Используя менделевские законы наследования, можно рассчитать вероятность  рождения  детей  с теми или иным моделирующими признаками. Наиболее удобным методическим подходом к анализу наследования  признаков  в нескольких поколениях является генеалогический метод, основанный на построении родословных. Взаимодействие генов.

До сих пор мы рассматривали только признаки, контролируемые моногенно. Однако на фенотипическое проявление одного гена обычно влияют другие гены.

Зачастую признаки формируются при участии нескольких генов, взаимодействие между которыми отражается в фенотипе. Примером сложного взаимодействия генов могут служить закономерности наследования  системы  резус - фактор:  резус  плюс  (Rh+) и резус минус (Rh-). В 1939 г. при исследовании  сыворотки  крови   женщины, родившей мертвый плод,  и имевшей в анамнезе переливание совместимой по АВО группе крови мужа,  были обнаружены особые антитела, сходные с получаемыми при иммунизации экспериментальных животных эритроцитами  макаки - резус. Выявленные у больной антитела получили название   резус -  антител, а ее группа  крови-  резус-отрицательной. Группа крови резус-положительная определяется присутствием на поверхности эритроцитов особой группы антигенов, кодируемых структурными генами, несущими информацию о мембранных полипептидах.

Явление  множественного аллелизма широко распространено в природе. Известны  обширные серии множественных аллелей, определяющих тип совместимости при опылении у высших растений, при оплодотворении  у грибов, детерминирующих окраску шерсти животных, глаз у дрозофилы, рисунка на листьях белого клевера, наконец, у растений, животных и микроорганизмов известно много примеров гак называемых аллозимов  или  аллельных  изоэнзимов  белковых   молекул,  различия между  которыми  определяются  аллелями одного гена.

Во многих случаях попарные взаимодействия членов серии аллелей приводят к тому, что исследуемый признак проявляется иначе, чем у гомозиготных родительских форм.

В некоторых случаях механизм взаимодействия аллелей расшифрован. Вернемся к примеру с красными и белыми дрожжами. Существует большое число красных аденинзависимых мутантов дрожжей. Большинство из них несет изменения одного и того же гена. Во всех случаях потребность в аденине и красная окраска колоний рецессивны по отношению к белой окраске и, соответственно, к отсутствию потребности в аденине.

Формы взаимодействия аллельных генов

Более пристальное рассмотрение элементарных признаков, т.е. признаков, альтернативные состояния которых наследуются по моногибридной схеме, позволяет подойти к проблеме доминирования, исследовать его механизм. И не только механизм доминирования, но и механизм действия и взаимодействия аллеломорфных пар вообще.

Казалось бы, с точки зрения рассмотрения генетически детерминированной активности фермента (или отсутствия активности), явление доминирования не представляет проблемы. Ферментативная активность должна доминировать над ее отсутствием.

У дрожжей Saccharomyces cerevisiae есть формы, наследственно различающиеся по окраске колоний: красные и белые. Красная пигментация - рецессивный признак. Она возникает вследствие генетического блока в биосинтезе пуринов: отсутствует активность фермента фосфорибозиламиноимидазолкарбоксилазы и поэтому дрожжи для своего роста нуждаются в экзогенном аденине. Субстрат реакции (аминоимидазолриботид) накапливается в клетке и конденсируется в красный пигмент. У белых дрожжей упомянутый фермент работает нормально, пигмент не накапливается и дрожжи не нуждаются в аденине. Они синтезируют его сами. Подобные примеры можно найти в описании любого метаболического пути, генетический контроль которого хорошо изучен.

Явление доминирования не исчерпывает все случаи взаимодействия аллелей. Уже упоминалось явление неполного доминирования. Кроме того, известны случаи отсутствия доминантно-рецессивных отношений или, точнее, случаи кодоминирования. Типичный пример такого взаимодействия аллелей - наследование антигенных групп крови человека: А, В, АВ и О, детерминируемых геном І .

Известны три типа аллелей этого гена: ІА, Ів, і°. При гомозиготности  ІАІА эритроциты имеют только поверхностный антиген А (группа крови А, или II). При гомозиготности  ІвІв эритроциты несут только поверхностный антиген В (группа В, или III). В случае гомозиготности  ІВІВ эритроциты лишены А и В антигенов (группа О или I). В случае гетерозиготности  ІАіО  или  ІВіО группа крови определяется, соответственно, А (II) или В (III). Эритроциты имеют, соответственно, антигены только А или только В. Это уже известный случай полного доминирования.

Если же человек гетерозиготен ІАІв , его эритроциты несут оба антигена: А и В (группа крови АВ, или IV). Это и есть случай кодоминирования.  Аллели ІА и Ів работают в гетерозиготе  как бы независимо друг от друга, что и определяют с помощью иммунологических методов.

Знание генетического контроля групп крови имеет большое практическое значение. Дело в том, что у людей с группой О в плазме крови присутствуют гемагглютинины α и β, с группой А - гемагглютинин β, с группой В - α. У людей группы АВ в плазме нет ни α- ни β-гемагглютининов. При этом агглютинин а специфически связывает и осаждает эритроциты с антигеном А, агглютинин β - эритроциты с антигеном В. На этих взаимоотношениях основана система переливания крови. Кровь группы О можно переливать всем людям, кровь группы А - людям с группами крови А и О, группы В - людям с группами В и О, а кровь группы АВ - только людям с той же группой. Нарушение этих правил приводит к геморрагическому шоку вследствие связывания эритроцитов гемагглютининами плазмы.

Знание этих закономерностей используется также в судебной медицине для идентификации пятен крови и при установлении отцовства.

Пример наследования групп крови иллюстрирует и проявление множественного аллелизма: ген  І может быть представлен тремя разными  аллелями, которые комбинируются в зиготах только попарно.

Явление  множественного аллелизма широко распространено в природе. Известны обширные серии множественных аллелей, определяющих тип совместимости при опылении у высших растений, при оплодотворении у грибов, детерминирующих окраску шерсти животных, глаз у дрозофилы, форму  рисунка   на  листьях  белого  клевера,  наконец, у растений, животных и микроорганизмов  известно много примеров, так называемых аллозимов  или  аллельных  изоэнзимов - белковых молекул, различия между которыми определяются аллелями одного гена.

Во многих случаях попарные взаимодействия членов серии аллелей приводят к тому, что исследуемый признак проявляется иначе, чем у гомозиготных родительских форм. В качестве примера можно привести наследование узора на листьях белого клевера ,  формы, гомозиготные по различным аллелям гена V (по вертикали), и формы, несущие разные сочетания этих аллелей.

В  некоторых  случаях механизм взаимодействия аллелей расшифрован. Вернемся к примеру с красными и белыми дрожжами. Существует большое число красных аденинзависимых мутантов дрожжей. Большинство  из  них несет изменения одного и того же гена. Во всех случаях потребность в аденине и красная окраска колоний рецессивны по отношению к белой окраске и, соответственно, к отсутствию потребности в аденине.  Аллель, определяющая доминантный признак, обозначается, как это принято в генетике, прописными буквами: ADE - сокращенное наименование признака. Такую аллель условно называют нормальной или аллелью дикого типа. Поскольку путь биосинтеза аденина состоит из многих (двенадцати) этапов, каждый ген, контролирующий отдельный этап, имеет свой номер. Интересующий нас ген - ADE 2.

Для обозначения аллелей этого гена, определяющих мутантный, рецессивный признак (рецессивных аллелей), используют те же буквы, но строчные - ade, а поскольку таких аллелей много, справа приписывают номер аллели: ade 2-1, ade 2-2 и т.д. В гомозиготном состоянии (или в гомозиготе) все они определяют характерный рецессивный или мутантный фенотип - красную окраску колонии и потребность в аденине вследствие отсутствия активности фермента фосфорибозиламиноимидазолкарбоксилазы.

В  некоторых  случаях  при объединении в гибриде двух разных аллелей  независимого  происхождения, рецессивных по отношению к дикому  типу,  наблюдают  восстановление  нормы, т.е. признака дикого типа. При этом частично восстанавливается и ферментативная активность. Такое восстановление дикого фенотипа происходит весьма специфично - только в некоторых комбинациях аллелей.

Это загадочное, на первый взгляд, явление описано для многих объектов: дрозофилы, мышей, зеленой водоросли Chlamydomonas, многих грибов и т.п. Лучше всего оно изучено у микроорганизмов.

Примерно у 50 % генов, которые исследованы таким образом, обнаружен  данный тип взаимодействия, получивший название  межаллельной   комплементации. Механизм его расшифрован. Оказалось, что все гены, аллели которых взаимодействуют подобным образом, контролируют  структуру   ферментов,  построенных из одинаковых белковых  субъединиц, т.е. одна  и  та   же полипептидная цепь повторена в них несколько раз: от двух до восьми.

Если исследовать гомозиготы по рецессивным аллелям, то в этом случае в белковой молекуле повторяются одинаковые и одинаково испорченные   субъединицы.  А  вот  если  изучать   гибриды,  гетерозиготные по разным рецессивным аллелям (такие гибриды также называют компаундами) : ade 2-1 / ade 2-2; ade 2-1 /  ade 2-3 и т.д., то в этом случае фермент будет содержать субъединицы, испорченные немного по-разному, и иногда эти субъединицы, взаимодействуя, приводят к восстановлению ферментативной активности. Как происходит это взаимодействие?