У большинства видов растений и животных количество хромосом (2n) не превышает нескольких десятков, а число генов может достигать десятки и даже сотни тысяч. Это значит, что в отдельной хромосоме могут быть сосредоточены тысячи генов, и они должны наследоваться вместе, то есть сцепленно. Такое наследование получило название «сцепление генов». Гены, расположенные в хромосоме, составляют группу сцепления. Таких групп сцепления у вида столько, сколько он имеет пар хромосом. Если гены А и В расположены в разных парах хромосом, то при скрещивании генотипов ♀ААВВх♂ааbb во втором поколении при условии полного доминирования по обоим генам падучим типичную картину растепления по фенотипу (9:3:3:1). При гаметогенезе особь генотипа АaВb дает 4 типа гамет: АВ, Аb, аВ, ab.
Пели гены A и В расположены водной хромосоме, то скрещивание генотипов ♀AВAВх♂abab дает в F2 расщепление, сходное с растеплением при моногибридном скрещивании: 1АВАB:2ABab:1abab. Это происходит потому, что гибриды F1 образуют 2 типа гамет: AB, ab. В ланном случае наблюдается явление полного сцепления генов. Многие сложные проблемы генетики были решены при использовании плодовой мушки дрозофилы (Drosophila melanogaster) - искусственное получение мутаций, природа гена, расшифровка генома и т. д.
Дрозофила имеет небольшие размеры (длина около 3 мм), серую окраску, ярко-красные глаза (рис, 3.1). Сам юг более крупные, чем самцы. Все брюшко у них полосатое, а на конце - заостренное (расположен яйцеклад). У самцов последние членики слились имеете, полому коней брюшка сплошь темноокрашенный и округлый.

В дикой природе встречается на многих континентах. В летнее время с потоком фруктов и овощей из южных районов нашей страны она проникает далеко на север. Питается дрозофила фруктами, овощами, древесным соком.
В лабораторных условиях дрозофилу разводят в стеклянных стаканчиках на специальной питательной среде при температуре 25 °С. Цикл ее развития от оплодотворенного яйца до взрослой особи составляет приблизительно 10 сут. В течение года можно получить около 40 поколений дрозофилы.
Диплоидный набор дрозофилы составляет 8 хромосом. Во второй паре хромосом находятся гены black (черный цвет тела - b) и vestigial (зачаточные крылья - vg). Доминантные аллели дикого типа b+ обусловливают серую окраску тела и нормальные крылья vg-. Гены серого цвета тела b+ и зачаточных крыльев vg (рецессивный аллель) находятся на одной хромосоме, гены черного цвета b (рецессивный аллель) и длинных крыльев vg+ - на другой гомологичной хромосоме. При скрещивании серых зачаточнокрылых самцов (b+vg) с черными длиннокрылыми самками (bvg-) гибриды F1 получают от отца хромосому с гeнами серого цвета и зачаточных крыльев (рис. 3.2).

В дальнейшем был обнаружен факт неполного сцепления генов (рис. 3.3). Американский ученый-генетик Т. Морган на дрозофиле изучил неполное сцепление генов и кроссинговер. У самцов дрозофилы кроссинговера не происходит. Возьмем самок с генотипом b+vg+bvg и самцов с генотипом bvgbvg. Если кроссинговер у самок не происходит, то в получается два фенотипических класса. Если же кроссинговер происходит и аллели меняются местами в паре хромосом, то дополнительно получаются еще два фенотипических класса. За единицу кроссинговера принимают 1 % кроссоверных фенотипов. Она получила название морганида. В настоящее время ее обозначают сантиморган (сМ).
На рисунке 3.3 видно, что расстояние между генами b и vg составляет 17 сантиморган.

При изучении кроссинговера между гремя генами было установлено взаимное расположение генов. Если между генами А и В частота перекреста равна 12 %, между В и С - 8 %, а между А и С - 20 %, то ген В находится между генами А и С. Кроме этого было выявлено, что гены расположены в хромосоме в линейном порядке. На основании этого стало возможно составлять генетические карты хромосом и определять места расположения генов.
По генетическим картам хромосом можно предсказать характер наследования изученных признаков для данных организмов, а при использовании к селекционной работе - вести сознательный подбор пар для скрещивания.
Основные положения хромосомной теории наследственности заключаются в следующем:
1) гены находятся в хромосомах и расположены линейно;
2) гены, расположенные водной хромосоме, относятся к одной группе сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом;
3) признаки, гены которых расположены в одной хромосоме, наследуются сцепленно;
4) на основании линейного расположения генов в хромосомах и частоты кроссинговера, как показателя расстояния между генами, можно построить карты хромосом.

Закон независимого наследования признаков установленный Г. Менде­лем, имеет существенное ограничение - он реализуется при одном условии, ко­гда исследуемые гены локализованы в различных парах хромосом.

Впервые отклонение от этого правила было замечено Бэтсоном и Пеннетом в 1906 году при изучении характера наследования окраски у цветков и формы пыльцы у душистого горошка. У гибридов F 2 было получено расщепле­ние в соотношении 70:6:6:20. Это явление было названо «взаимным притяже­нием факторов». Морган и его ученики обнаружили многочисленные случаи притяжения и отталкивания на мушке-дрозофиле. Итак, независимое рекомбинирование имеет место лишь в том случае, если эти гены расположены в раз­личных парах хромосом. Известно, что число генов значительно превосходит число хромосом. Следовательно, в каждой хромосоме находится много генов, наследующихся совместно.

Гены, локализованные в одной хромосоме, образуют группу сцепления, эти гены называются сцепленными. Число групп сцепления равно гаплоид­ному набору хромосом. Термин «сцепление генов» был предложен Т. Морга­ном.

Т. Морган и его школа разработали хромосомную теорию наследственно­сти (1910-1916 гг.). Гены, находящиеся в одной хромосоме, сцеплены не абсо­лютно. При созревании половых клеток в процессе гаметогенеза во время про­фазы I деления мейоза при конъюгации гомологичных хромосом происходит обмен аллельными генами, который называется кроссинговером. Кроссинговер нарушает абсолютное сцепление генов. Обмен аллельными генами происходит между двумя несестринскими хроматидами. Кроссинговер между двумя гена­ми, расположенными в одной хромосоме, наблюдается тем реже, чем ближе друг к другу они расположены.

Определение частоты кроссинговера обычно производится при помощи анализирующих скрещиваний. Процент кроссинговера между генами А и В можно вычислить по формуле:

а - количество кроссоверных особей одной группы (соединение гамет АЬ с ab);

в - количество кроссоверных особей группы (аВ с ab);

п - общее число особей, полученных в результате анализирующего скре­щивания.

Величина кроссинговера измеряется отношением числа кроссоверных особей к общему числу всех особей в потомстве анализирующего скрещивания и выра­жается в процентах.

Относительное расстояние между генами в группах сцепления обычно выража­ется в процентах кроссинговера или в морганидах. Задача 1 на полное сцепление генов

Скрещивалась мушка дрозофила с длинными крыльями и серым телом с самцом, имеющим зачаточные крылья и черный цвет тела. Гены, определяю­щие серый цвет тела и длинные крылья, доминируют над генами, определяю­щими, черный цвет тела и зачаточные крылья.

Обозначим гены:

В - серое тело (доминантный признак)

b - черное тело (рецессивный признак)

V - длинные крылья (доминантный признак)

v - зачаточные крылья (рецессивный признак)

Фенотипы родителей:

Р: ♀ серое тело, длинные крылья х ♂ черное тело, зачаточные крылья

Все потомство дигетерозиготно по генотипу, по фенотипу с серым телом и длинными крыльями (закон единообразия по Менделю). Затем Т. Морган полу­ченные особи скрестил между собой.

Во втором поколении F2 следовало ожидать от скрещивания дигетерозиготных особей между собой четыре фенотипических класса в отношении 9:3:3:3:1.

Это было бы обусловлено образованием четырех типов гамет у каждой особи и их случайным сочетанием в зиготе при расположении генов в разных парах негомологичных хромосом. Однако расщепление в отношении 9:3:3:1 не было получено, а расщепление потомков наблюдалось примерно в отношении 3:1. Это можно объяснить, предположив, что гены окраски тела и длины крыла локализованы в одной и той же хромосоме, т.е. сцеплены.

Скрещивание между потомками ¥ г

Фенотипы F1

♀ Серое тело, длинные крылья х ♂ Серое тело, длинные крылья

В данном случае наблюдалось полное сцепление генов. Следует учесть, что у самца дрозофилы кроссинговер практически не наблюдается , поэтому дигетерозиготный самец по указанным генам будет образовывать только 2 типа некроссоверных гамет.

Сцепленное наследование генов

Г.Мендель проследил наследование семи пар признаков у гороха. Многие исследователи, повторяя опыты Менделя, подтвердили открытые им законы. Было признано, что эти законы носят всеобщий характер. Однако в 1906 г. английские генетики В.Бэтсон и Р.Пеннет, проводя скрещивание растений душистого горошка и анализируя наследование формы пыльцы и окраски цветков, обнаружили, что эти признаки не дают независимого распределения в потомстве. Потомки всегда повторяли признаки родительских форм. Постепенно факты исключений из третьего закона Менделя накапливались. Стало ясно, что не для всех генов характерно независимое распределение в потомстве и свободное комбинирование.

Любой организм обладает многообразием морфологических, физиологических, биохимических и прочих признаков и свойств, причем каждый признак или свойство контролируется одним или несколькими генами, локализованными в хромосомах.

Однако если число генов организма огромно и может исчисляться десятками тысяч, то число хромосом сравнительно невелико и, как правило, измеряется несколькими десятками. Поэтому в каждой паре хромосом локализованы сотни и тысячи аллельных генов, образующих группы сцепления.

Установлено полное соответствие между числом групп сцепления и числом пар хромосом. Например, у кукурузы набор хромосом 2n = 20 и 10 групп сцепления, а у дрозофилы 2n = 8 и 4 группы сцепления, то есть число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом.

Закон Томаса Моргана

Гены, локализованные в одной хромосоме, передаются совместно, и способ их наследования отличается от наследования генов, локализованных в разных парах гомологичных хромосом.

Так, например, при независимом распределении хромосом дигибрид АаВb образует четыре типа гамет (АВ , аВ , Аb , аb ), а при условии полного сцепления такой же дигибрид даст только два типа гамет (АВ и аb ), так как эти гены расположены в одной хромосоме.

Разработка проблемы сцепленного наследования генов принадлежит школе Т.Моргана (1866–1945). Если Мендель проводил свои опыты на горохе, то для Моргана основным объектом стала плодовая мушка дрозофила. Мушка каждые две недели при температуре 25 °С дает многочисленное потомство. Самец и самка хорошо различимы – у самца брюшко меньше и темнее. Кроме того, они имеют различия по многочисленным признакам и могут размножаться в пробирках на дешевой питательной среде.

Изучая закономерности наследования генов, локализанных в одной и той же хромосоме , Морган пришел к выводу, что они наследуются сцепленно . Это и есть закон Т.Моргана.

Полное и неполное сцепление

Для определения типа наследования двух пар генов (сцепленное или независимое) необходимо провести анализирующее скрещивание и по его результатам сделать вывод о характере наследования генов. Рассмотрим три возможных варианта результатов анализирующего скрещивания.

1) Независимое наследование .

Если в результате анализирующего скрещивания среди гибридов образуется четыре класса фенотипов, значит, гены наследуются независимо.

2) Полное сцепление генов .

При полном сцеплении генов А и В по результатам анализирующего скрещивания обнаруживают-
ся два фенотипических класса гибридов, полностью копирующих родителей.

3) Неполное сцепление генов .

В случае неполного сцепления генов А и В при анализирующем скрещивании появляются четыре фенотипа, два из которых имеют новое сочетание генов: Аb ‖аb ; аВ ‖аb . Появление подобных форм свидетельствует о том, что дигибрид с гаметами АВ │ и аb │ образует кроссоверные гаметы Аb │ и аВ │. Появление таких гамет возможно только в результате обмена участками гомологичных хромосом, то есть в процессе кроссинговера. Количество кроссоверных гамет значительно меньшее, чем некроссоверных.

Частота перекреста пропорциональна расстоянию между генами. Чем ближе расположены гены в хромосоме, тем теснее сцепление между ними и тем реже они разделяются при перекресте. И наоборот, чем дальше гены отстоят друг от друга, тем слабее сцепление между ними и чаще перекрест. Следовательно, о расстоянии между генами в хромосомах можно судить по частоте перекреста.

Генетические карты

Под генетическим картированием обычно понимают определение положения какого-либо гена по отношению к другим генам.

Рассмотрим порядок составления генетических карт.

1. Установление группы сцепления (то есть определение хромосомы, в которой локализован данный ген). Для этого необходимо иметь хотя бы по одному гену-маркеру в каждой группе сцепления.

2. Нахождение места локализации исследуемого гена в хромосоме. Для этого проводится скрещивание мутантной формы с нормальной и учитывается результат кроссинговера.

3. Определение расстояния между сцепленными генами, что позволяет составлять генетические карты хромосом, на которых указаны порядок расположения генов в хромосомах и относительные расстояния их друг от друга. Чем частота кроссинговера выше, тем на большем расстоянии друг от друга располагаются гены. Если установлено, что между сцепленными генами А и В частота кроссинговера 10%, а между генами В и С – 20%, то очевидно, что расстояние ВС в 2 раза больше, чем АВ . Расстояние между генами выражается в единицах, соответствующих 1% кроссинговера. Эти единицы называют морганидами.

Таким образом, на основе данных о частоте кроссинговера составляются генетические карты.

Основные понятия генетики

Основные понятия генетики

Генетика - наука о закономерностях наследственности и изменчивости. Датой «рождения» генетики можно считать 1900 год, когда Г. Де Фриз в Голландии, К. Корренс в Германии и Э. Чермак в Австрии независимо друг от друга «переоткрыли» законы наследования признаков, установленные Г. Менделем еще в 1865 году.

Генотип - совокупность генов организма.

Фенотип - совокупность всех внешних и внутренних признаков организма.

Гомозиго́та - диплоидный организм или клетка, несущий идентичные аллели гена в гомологичных хромосомах.

Грегором Менделем впервые был установлен факт, свидетельствующий о том, что растения, сходные по внешнему виду, могут резко отличаться по наследственным свойствам. Особи, не дающие расщепления в следующем поколении, получили название гомозиготных .

Гетерозигота - организм, имеющий аллельные гены разной молекулярной формы; в этом случае один из генов является доминантным, другой - рецессивным.

Аллельные гены - гены, расположенные в идентичных локусах гомологичных хромосом.

Гемизиго́тным называют диплоидный организм, у которого имеется только один аллель данного гена или один сегмент хромосомы вместо обычных двух. Для организмов, у которых гетерогаметный пол мужской (как у людей и всех остальных млекопитающих), почти все гены, связанные с X хромосомой, гемизиготны у самцов, так как у самцов в норме имеется только одна X хромосома. Гемизиготное состояние аллелей или хромосом используется в генетическом анализе с целью поиска места локализации генов, ответственных за какой-либо признак.

В 1906 году У. Бэтсон и Р. Пеннет, проводя скрещивание растений душистого горошка и анализируя наследование формы пыльцы и окраски цветков, обнаружили, что эти признаки не дают независимого распределения в потомстве, гибриды всегда повторяли признаки родительских форм. Стало ясно, что не для всех признаков характерно независимое распределение в потомстве и свободное комбинирование.

Каждый организм имеет огромное количество признаков, а число хромосом невелико. Следовательно, каждая хромосома несет не один ген, а целую группу генов, отвечающих за развитие разных признаков. Изучением наследования признаков, гены которых локализованы в одной хромосоме, занимался Т. Морган . Если Мендель проводил свои опыты на горохе, то для Моргана основным объектом стала плодовая мушка дрозофила.

Дрозофила каждые две недели при температуре 25 °С дает многочисленное потомство. Самец и самка внешне хорошо различимы — у самца брюшко меньше и темнее. Они имеют всего 8 хромосом в диплоидном наборе, достаточно легко размножаются в пробирках на недорогой питательной среде.

Скрещивая мушку дрозофилу с серым телом и нормальными крыльями с мушкой, имеющей темную окраску тела и зачаточные крылья, в первом поколении Морган получал гибриды, имеющие серое тело и нормальные крылья (ген, определяющий серую окраску брюшка, доминирует над темной окраской, а ген, обусловливающий развитие нормальных крыльев, — над геном недоразвитых). При проведении анализирующего скрещивания самки F 1 с самцом, имевшим рецессивные признаки, теоретически ожидалось получить потомство с комбинациями этих признаков в соотношении 1:1:1:1. Однако в потомстве явно преобладали особи с признаками родительских форм (41,5% — серые длиннокрылые и 41,5% — черные с зачаточными крыльями), и лишь незначительная часть мушек имела иное, чем у родителей, сочетание признаков (8,5% — черные длиннокрылые и 8,5% — серые с зачаточными крыльями). Такие результаты могли быть получены только в том случае, если гены, отвечающие за окраску тела и форму крыльев, находятся в одной хромосоме.

1 — некроссоверные гаметы; 2 — кроссоверные гаметы.

Если гены окраски тела и формы крыльев локализованы в одной хромосоме, то при данном скрещивании должны были получиться две группы особей, повторяющие признаки родительских форм, так как материнский организм должен образовывать гаметы только двух типов — АВ и аb , а отцовский — один тип — аb . Следовательно, в потомстве должны образовываться две группы особей, имеющих генотип ААВВ и ааbb . Однако в потомстве появляются особи (пусть и в незначительном количестве) с перекомбинированными признаками, то есть имеющие генотип Ааbb и ааВb . Для того, чтобы объяснить это, необходимо вспомнить механизм образования половых клеток — мейоз. В профазе первого мейотического деления гомологичные хромосомы конъюгируют, и в этот момент между ними может произойти обмен участками. В результате кроссинговера в некоторых клетках происходит обмен участками хромосом между генами А и В , появляются гаметы Аb и аВ , и, как следствие, в потомстве образуются четыре группы фенотипов, как при свободном комбинировании генов. Но, поскольку кроссинговер происходит при образовании небольшой части гамет, числовое соотношение фенотипов не соответствует соотношению 1:1:1:1.

Группа сцепления — гены, локализованные в одной хромосоме и наследующиеся совместно. Количество групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом.

Сцепленное наследование — наследование признаков, гены которых локализованы в одной хромосоме. Сила сцепления между генами зависит от расстояния между ними: чем дальше гены располагаются друг от друга, тем выше частота кроссинговера и наоборот. Полное сцепление — разновидность сцепленного наследования, при которой гены анализируемых признаков располагаются так близко друг к другу, что кроссинговер между ними становится невозможным. Неполное сцепление — разновидность сцепленного наследования, при которой гены анализируемых признаков располагаются на некотором расстоянии друг от друга, что делает возможным кроссинговер между ними.

Независимое наследование — наследование признаков, гены которых локализованы в разных парах гомологичных хромосом.

Некроссоверные гаметы — гаметы, в процессе образования которых кроссинговер не произошел.

Нерекомбинанты — гибридные особи, у которых такое же сочетание признаков, как и у родителей.

Рекомбинанты — гибридные особи, имеющие иное сочетание признаков, чем у родителей.

Расстояние между генами измеряется в морганидах — условных единицах, соответствующих проценту кроссоверных гамет или проценту рекомбинантов. Например, расстояние между генами серой окраски тела и длинных крыльев (также черной окраски тела и зачаточных крыльев) у дрозофилы равно 17%, или 17 морганидам.

У дигетерозигот доминантные гены могут располагаться или в одной хромосоме (цис-фаза ), или в разных (транс-фаза ).

1 — Механизм цис-фазы (некроссоверные гаметы); 2 — механизм транс-фазы (некроссоверные гаметы).

Результатом исследований Т. Моргана стало создание им хромосомной теории наследственности :

1. гены располагаются в хромосомах; различные хромосомы содержат неодинаковое число генов; набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален;
2. каждый ген имеет определенное место (локус) в хромосоме; в идентичных локусах гомологичных хромосом находятся аллельные гены;
3. гены расположены в хромосомах в определенной линейной последовательности;
4. гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления; число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида организмов;
5. сцепление генов может нарушаться в процессе кроссинговера, что приводит к образованию рекомбинантных хромосом; частота кроссинговера зависит от расстояния между генами: чем больше расстояние, тем больше величина кроссинговера;
6. каждый вид имеет характерный только для него набор хромосом — кариотип.

Перейти к лекции №17 «Основные понятия генетики. Законы Менделя»